KR20090008099A - 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물에 관한 것으로, 전분 10-80 중량%, 지방족폴리에스테르 5-50 중량%, 보조 첨가제 6-40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기존 생분해성 수지 조성물의 경우 내열성, 생산성, 성형성이 떨어지고 또한 가격 경쟁력이 부족하여 산업상의 이용가능성이 부족한 단점을 보완하여 보다 경쟁력이 있는 생분해성 수지 조성물을 제공한다. 본 발명에 따르면 사용후 매립시 수백년이 소요되어 환경에 비친화적인 난분해성 합성수지를 대체하여 환경오염 방지에 기여할 수 있다.

생분해, 전분, 환경친화, 포장재, 지방족폴리에스테르, 물성 개량, 내수성

Description

물성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 그의 제조 방법{BIODEGRADABLE RESIN COMPOSITION CONTAING IMPROVED PHYSICAL PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 생분해성 수지 조성물에 관한 것으로, 전분 10-80 중량%, 지방족폴리에스테르 5-50 중량%, 보조 첨가제 6-40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기존 생분해성 수지 조성물의 경우 내열성, 생산성, 성형성, 내수성이 떨어지고 또한 가격 경쟁력이 부족하여 산업상의 이용가능성이 부족한 단점을 보완하여 보다 경쟁성이 있는 생분해성 수지 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 생분해성 수지 조성물은 쉬트 생산, 진공성형, 압진공, 사출 성형 등 일반적인 생산방식에 따라 식품용기, 산업용 포장재의 원료로 사용할 수 있다. 본 발명에 따르면 사용후 매립시 완전 분해되기까지 수백년이 소요되어 환경에 비친화적인 난분해성 합성수지를 대체하여 환경오염 방지에 기여할 수 있다.

인류 최대의 발명품중의 하나인 플라스틱은 내구성, 가공성, 내약품성, 비교적 가격이 저렴하고, 가볍다는 여러 가지 장점 때문에 산업분야에서 폭넓게 사용되어 인류의 생활의 편의성에 크게 공헌을 하고 있다. 그러나 역기능으로써 완전분해가 되기까지 수백년이 소요되는 난분해성 물질이기 때문에 사용후 폐기된 다음 수백년동안 남아 있어 토양, 대기, 수질 오염 등 환경오염에 심각한 악영향을 미치고 있는 현실이다.

최근 소득 수준의 증가와 생활의 편리성을 추구하는 분위기 확산에 따라 위생적이고 편리하며 가격이 저렴한 플라스틱을 포함한 일회용 제품의 수요가 증가하고 있다. 특히, 패스트푸드점, 편의점, 백화점, 마트, 식품 등 포장재, 각종 일회용품, 포장용기 등이 대부분 열가소성 중합체인 플라스틱으로 이루어진 제품을 사용하고 있으며, 또한 일회용 제품의 사용이 급속도로 증가하고 있다. 그러나, 종래 포장재 및 일회용 제품을 제조하는 열가소성 중합체는 자연계에서 반영구적으로 존재하기 때문에 다수의 환경 문제를 야기할 뿐만 아니라, 폐기물 발생량이 증가되는 단점이 있다.

현재 폐플라스틱을 매립, 소각, 재활용 등의 방법을 통해 처리하고 있으나, 매립의 경우 자꾸만 늘어나는 쓰레기로 인하여 매립공간이 부족해지고, 인근 지역 주민들에 의한 집단 이기주의 현상이 심화됨에 따라 매립지 확보가 어렵다. 뿐만 아니라, 매립 후에도 분해되기까지 수백년 이상 소요되는 열가소성 중합체인 플라스틱 폐기물로 인하여 지반이 안정되지 않아 매립지의 이용에 많은 문제점이 있으며, 이들을 소각하는 경우 비산하는 분진의 발생과 더불어 상기한 바와 같은 다이옥신, 일산화탄소 등의 유해가스가 대량 발생하여 대기오염 및 인체에 심각한 해를 끼치는 원인이 되고 있다. 플라스틱 제품의 재활용의 경우, 최근 이와 관련한 플라스틱 폐기물의 처리 및 그 활용 방안 등 논의가 활발하게 진행되고 있으나, 플라스틱 폐기물 분리수거의 어려움과 함께 수거 후에도 혼입된 불순물의 제거에 소요되는 비용 과다로 인한 경제성 측면 등 많은 문제점이 있는 실정이다.

이러한 제반 문제를 해결하기 위한 한 방법으로, 천연물 유래의 생분해 수지로는 키틴, 키토산, 알긴산, 콜라겐, 박테리아 셀룰로오스, 폴리아미노산 등이 있다. 또 미생물 유래 또는 화학 합성된 것으로 폴리젖산(PLA), 폴리히드록시부티레이트발러레이트(PHBV), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리부틸렌석시네이트(PBS), 폴리히드록시부티레이트(PHB), 폴리히드록시알카노에이트(PHA) 등과 같은 지방족 폴리에스테르(Aliphatic polyester; AP) 등이 개발되어 시판되고 있다. 그러나 가격이 고가인 단점이 있어 기존 소비자의 가격저항이 있고, 또한 내열성, 가공성, 생산성이 나빠 실제 산업현장에서 활발히 적용이 되지 못하고 있는 실정이다. 이에 따라 기존 개발된 생분해성 물질 2가지 이상을 복합사용하거나, 새로운 생분해성 물질 개발을 하여 기존 생분해 물질 대비 물성 개량, 성형성, 가공성을 높이기 위한 다양한 노력을 하고 있다. 현재까지 개발된 생분해 원료 물질은 물성이 약하여 쉽게 파손되는 단점이 있고, 또한 원료 가격이 고가인 관계로 경제성이 저하되고, 제품 생산후 냉각시간이 길어지는 등 생산성이 나빠 실제 산업 현장에서 사용되지 못하는 단점이 있다.

기존 생분해성 수지 조성물의 제품 성형성 저하, 내열성 저하, 생산성 저하, 고가인 단점이 있어 산업상 이용 가능성이 현저히 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생분해성이 우수하면서도 저가의 첨가제를 대량 사용함에 따라 제품의 원가를 저하시킬 수 있으며, 전분의 물성 개질을 통하여 내열성을 부여하고, 지방질 계열의 지방족 폴리에스테르화 상용성을 대단히 높여 제품 물성이 매우 개선되고, 또한 가격이 저렴한 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물을 제공함에 그 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적은 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은, 하기의 단계를 포함하는 본 발명의 방법에 의해 달성된다:

전분, 지방족폴리에스테르, 무기필러, 가소제, 활제를 혼합기에 투입하고 고속 혼합하여 추가로 수분을 제거하는 1단계;

산화방지제, 지방족폴리에스테르, 상용화제를 습기 제거가 이루어진 상기 단계에의 재료에 추가로 투입한 후 고속열혼합을 하는 2단계;

고속혼합된 재료에 PCL을 추가로 투입하고 상온에서 저속혼합을 하는 3단계;

저속혼합 과정까지 완료한 재료를 트윈익스트루더에 투입한 다음, 다이스를 통하여 토출되는 재료를 페이스커팅후 송풍건조하거나, 토출되는 스트랜드를 컨베이버벨트를 통하여 이송하면서 송풍건조후 커팅하여 펠렛 타입으로 제조하여 물성이 개선된 생분해성 조성물이 제공된다.

본 발명에 있어서, 각 원료의 사용량은 전분 10-80 중량%, 지방족폴리에스테르 5-50 중량%, 보조 첨가제 6-40 중량%일 수 있다.

상기 전분은 당 업계에서 통상 사용되는 전분, 예를 들어 옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 밀, 쌀 및 곡류 등 각종 식물로부터 추출된 전분이다. 전분은 식물의 종류나 저장 부위에 따라 지상전분과 지하전분으로 구분된다. 각각의 전분은 입자의 형태, 입자의 크기가 모두 다르며 전분입자의 형상, 입경, 외형의 고유한 특성을 가지고 있는데, 품종에 따라 이화학적 특성에 많은 차이가 있기 때문에 적절한 선택 후 직접 이용하는 경우, 또는 물성을 변성시킨 후 이용 가치를 높여 사용하는 경우가 많으나, 본 발명에서는 옥수수 전분, 타피오카 전분, 밀전분으로 구성되는 그룹에서 선택되는 한가지 또는 그 이상의 혼합물을 생전분 형태로 그대로 이용하였다. 그 사용량은 조성물 총 중량을 기준으로 5.0 내지 90 중량%, 바람직하게는 10 내지 80 중량%일 수 있다. 전분을 80 중량% 이상 사용시 성형성, 가공성 및 제품의 내수성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 지방족 폴리에스테르는 PLA, PHBV, PCL, PBS, PHB, PHA 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 한가지 또는 그 이상을 사용할 수 있는데, 그 사용량은 조성물의 총 중량을 기준으로 3 내지 60 중량%, 바람직하게는 5 내지 50 중량% 일 수 있다. 지방족 폴리에스테르는 5 중량% 이하 사용시 쉬트 성형시 쉬트 형성 및 쉬트강도 열화에 영향을 미칠수 있고, 50 중량% 이상 사용시에는 재료원가 상승이 되는 단점이 있다.

상기 보조 첨가제중에서 무기 필러는 탄산칼슘, 탈크, 카올린을 단독으로, 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그 사용량은 조성물의 총 중량을 기준으로 0.3 내지 50 중량%, 바람직하게는 2 내지 40 중량%일 수 있다. 무기 필러는 기본적으로 염가인 관계로 조성물의 원가절감이 가능하다. 더욱이 제품 물성면에서 수축방지 즉, 치수안정성과 굴곡 탄성율 향상 등의 물성 보완을 기대할 수 있다.

상기 가소제는 글리세린, 글리세롤모노스테아레이트(GMS), 솔비톨을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.3 내지 30 중량 %, 바람직하게는 0.5 내지 20 중량%일 수 있다. 가소제는 전분의 유동성, 가공성을 향상시키는 효과가 있는데, 과량 사용시 표면으로 이동 용출되는 단점이 있다. 가소제는 전분을 변성시키는 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. 열에 의해 가소성을 보이는 것을 열가소성이라 부르는데, 본 발명에서는 열을 가하면 탄화하는 전분에 열가소성을 부여하기 위해 전분을 가소화시켜 사용한다.

상기 산화방지제는 디라우릴티오디프로피오네이트(DLTDP), 페놀계인 2,6-디타샤리부틸-P-크레졸(3,5-디-제3부틸-4-히드록시톨루엔, 디부틸히드록시톨루엔프로판산을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.01 내지 0.5 중량 %, 바람직하게는 0.02 내지 0.2 중량%일 수 있다.

상기 윤활제는 피이왁스(PEW), 피피왁스(PPW), 칼슘스테아레이트, 아연스테아레이트, 글리세린스테아레이트, 부틸스테아레이트를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.1 내지 10 중량 %, 바람직하게는 0.5 내지 8 중량%일 수 있다. 윤활제는 윤활효과가 우수한 탄소수 22의 베헤닌산 계열을 사용하면 재료원가가 높아지는 단점이 있어, 가격 대비 생분해제에 분산효과가 우수하고 윤활 효과가 좋은 탄소수 18인 스테아린산 계열, 저분자 폴리에틸렌, 왁스, 파라핀류를 사용하는 쪽이 경제성 측면에서 장점이 있다. 또한 지방산 계열 윤활제를 사용하는 경우, 필러같은 무기물에 친화성을 보이는 장점이 있다. 윤활제는 문자 그대로 원료간의 마찰을 적게하고 매끄럽게 하기 위해 사용하는 첨가제이다. 모든 마찰이 나쁘다는 것은 아니지만, 원료 혼합, 용융, 가공시 마찰에 의한 열이 원료를 필요 이상으로 가열하여 분해시키기도 하고, 원료중 전분을 탄화시키기도 하며, 트윈익스투루더 같은 금속가공기의 표면에 눌러붙기도 하여 불량이 발생하는 것을 해소하기 위해 사용한다.

상기 상용화제는 과산화벤조일, 폴리비닐알코올(PVA), 벤조페논을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.001 내지 1 중량 %, 바람직하게는 0.005 내지 2 중량%일 수 있다. 상용화제는 사용되는 원료간에 계면활성적 작용으로 원료간의 계면에 존재하여 계면장력을 저하시키기도 하고, 원료 상호간 반응성을 개선시켜 원료간 상용성을 개선시키고, 최종 제품 생산시, 융점의 차이에 따른 생산 불량률, 물성 저하를 개선시킨다.

본 발명에 서술한 펠렛 형태의 생분해성 수지 조성물은 쉬트 성형, 진공성형, 압진공, 필름 성형, 사출 성형 등에 이용할 수 있으며 식품포장재, 산업용 포장자재 제조 원료로 사용할 수 있다.

이하 구체적 실시예를 통하여 보다 상세하게 살펴 볼 수 있다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1 >

옥수수전분 45 중량%, GMS 2.18 중량%, 탄산칼슘 1.6 중량%, 탈크 3.0 중량%, PEW 0.8 중량%를 혼합기에 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합 한다. 그 다음 PLA 28.2 중량%, PHBV 12 중량%, DLTDP 0.18 중량%, 디부틸히드록시톨루엔 프로판산 0.02 중량%, 과산화 벤조일 0.02 중량%,를 혼합기에 추가로 투입한 다음, 고속으로 열혼합을 시켜 추가로 수분 제거 및 혼합을 한다. 상기 혼합물에 PCL 7 중량% 추가로 투입한 후, 상온 혼합하여 수득한 원료를 트윈익스트루더를 이용하여 펠렛 형상의 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물을 제조하였다.

< 실시예 2 >

옥수수전분 55 중량%, GMS 2.36 중량%, 탈크 3.0 중량%, 탄산칼슘 1.53 중량%, 칼슘스테아레이트 1.0 중량%, PEW 1.8 중량%를 혼합기에 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합 한다. 그 다음 PLA 10중량%, PHBV 15 중량%, DLTDP 0.18 중량%, 디부틸히드록시톨루엔 프로판산 0.02 중량%, 과산화 벤조일 0.01 중량%, 벤조페논 0.1 중량%를 혼합기에 추가로 투입한 다음, 고속으로 열혼합을 시켜 추가로 수분 제거 및 혼합을 한다. 상기 혼합물에 PCL 10 중량% 추가로 투입한 후, 상온 혼합하여 수득한 원료를 트윈익스트루더를 이용하여 펠렛 형상의 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물을 제조하였다.

< 실시예 3 >

옥수수전분 대신 타피오카전분을 사용하였고, 나머지는 실시예 2와 동일한 방법으로 생분해성 수지 조성물을 제조하였다.

< 실시예 4 >

옥수수전분 60 중량%, GMS 2.4 중량%, 솔비톨 2.0 중량%, 탈크 3.0 중량%, 탄산칼슘 3.79 중량%, 칼슘스테아레이트 1.0 중량%, PEW 2.5 중량%를 혼합기에 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합 한다. 그 다음 PLA 10중량%, PBS 15 중량%, DLTDP 0.18 중량%, 디부틸히드록시톨루엔 프로판산 0.02 중량%, 과산화 벤조일 0.01 중량%, 벤조페논 0.1 중량%를 혼합기에 추가로 투입한 다음, 고속으로 열혼합을 시켜 추가로 수분 제거 및 혼합을 한다. 수득한 원료를 트윈익스트루더를 이용하여 펠렛 형상의 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물을 제조하였다.

본 발명에 의한 생분해성 수지 조성물은 물성이 개량되어 생산성, 가공성이 좋으며, 위생성, 안전성이 뛰어나 식품 포장재 원료, 산업용 포장용 원료, 농원예용 포장재를 제조하는 원료로 사용시 성형성, 가공성, 생산성이 뛰어 나다. 기존 생분해성 원료 대비 가격이 저렴하여 산업상 이용 가능성이 우수하며, 사출성형, 쉬트제조, 진공성형, 압진공성형 등의 광범위한 분야에 사용이 가능한 장점이 있다. 완전 생분해성으로 생분해율은 ISO 14855 방법에 의거 45일 이내에 퇴비화 조건에서 셀룰로오스 대비 생분해율이 60% 이상이다. 따라서 자연계에서 쉽게 분해되어 토양의 유기물을 증가시키고, 환경을 오염시키지 않는 장점이 있다.

Claims (10)

1. 전분 10-80 중량%, 지방족폴리에스테르 5-50 중량%, 보조 첨가제 6-40 중량%로 구성되는 이루어지는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
2. 제1항에 있어서, 상기 전분이 옥수수 전분, 타피오카 전분, 밀 전분, 감자 전분, 고구마 전분 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
3. 제1항에 있어서, 지방족 폴리에스테르는 PLA, PHBV, PCL, PBS, PHB, PHA 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
4. 제1항에 있어서, 보조 첨가제는 무기필러, 첨가제, 가소제, 산화방지제, 윤활제, 상용화제 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
5. 제4항에 있어서, 무기 필러가 탄산칼슘, 탈크, 카올린 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
6. 제4항에 있어서, 가소제는 글리세린, 글리세롤모노스테아레이트(GMS), 솔비톨 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
7. 제4항에 있어서, 산화방지제는 디라우릴티오디프로피오네이트(DLTDP), 디부틸히드록시톨루엔프로판산, 페놀계인 2,6-디타샤리부틸-P-크레졸(3,5-디-제3부틸-4-히드록시톨루엔 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
8. 제4항에 있어서, 윤활제는 피이왁스(PEW), 피피왁스(PPW), 칼슘스테아레이트, 아연스테아레이트, 글리세린스테아레이트, 부틸스테아레이트 및 그 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
9. 제4항에 있어서, 상용화제는 과산화벤조일, 폴리비닐알코올(PVA), 벤조페논 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물성이 개선된 생분해성 수지 조성물
10. 전분, 지방족폴리에스테르, 무기필러, 가소제, 활제를 혼합기에 투입하고 고속 혼합하여 수분 제거 및 혼합하는 1단계;

    산화방지제, 지방족폴리에스테르, 상용화제를 습기 제거가 이루어진 상기 단계에의 재료에 추가로 투입한 후 고속열혼합을 하는 2단계;

    고속혼합된 재료에 PCL을 추가로 투입하고 상온에서 저속혼합을 하는 3단계;

    저속혼합 과정까지 완료한 재료를 트윈익스트루더에 투입한 다음, 다이스를 통하여 토출되는 재료를 페이스커팅후 송풍 건조하거나, 토출되는 스트랜드를 컨베이버벨트를 통하여 이송하면서 송풍 건조후 커팅하여 펠렛 타입으로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 수지 조성물의 제조방법