KR20090019999A - 천연 마섬유로 보강한 생분해성 시트 및 그의 제조방법 - Google Patents
천연 마섬유로 보강한 생분해성 시트 및 그의 제조방법Info
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Abstract
본 발명은 합성 플라스틱의 장점과 천연섬유인 마의 장점을 보유하면서 상호의 단점을 보완하여 우수한 생분해성, 기계적 강도, 충격강도 및 열안정성이 우수하고 또한 기존의 플라스틱과 유사한 가공성, 성형성 및 물성을 갖는 생분해성 시트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 생분해성 시트는 폴리유산의 함량이 전체 시트 조성물 함량 중 80.0 ~ 99.9 중량부를 차지하고 마섬유의 함량이 0.1 ~ 20.0 중량부를 차지하는 시트 조성물을 용융·압출하여 제작되며, 이렇게 제작된 생분해성 시트는 폴리유산 고유특성인 생분해성을 유지하면서도 강도, 내충격성, 열안정성, 자외선차단 기능을 갖춘 실용성이 우수한 생분해성 시트가 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 천연 마섬유로 보강한 생분해성 시트 조성물 및 생분해성 시트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세 하게는 합성 플라스틱의 장점과 천연섬유인 마의 장점을 보유하면서 상호의 단점을 보완하여 우수한 생분해성, 기계적 강도, 충격강도 및 열안정성이 우수하고 또한 기존의 플라스틱과 유사한 가공성, 성형성 및 물성을 갖는 생분해성 시트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 합성 플라스틱은 뛰어난 물성과 함께 값싸고 가벼운 특성으로 인하여 전 세계에서 다양한 용도로 사용되고 있으며, 그 적용분야가 점점 확대되어 그 사용량이 기하급수적으로 늘어나고 있는 실정이다. 그런데, 이러한 합성 플라스틱은 그 최대 장점이자 한편으로는 단점이 되는 분해가 잘 되지 않는다는 특성이 있어 폐기된 합성 플라스틱이 종래의 방법에 따라 매립처리될 때 자연분해가 되지 않는다는 문제점으로 인하여 지구환경에 심각한 문제를 유발할 수 있으며, 또 다른 종래의 처리법인 소각 및 재활용의 방법의 경우에 있어서도 처리시 대기중으로 유해 물질의 발생 등의 문제점이 있어, 종래의 일반적인 처리 방법으로는 환경오염 문제를 완전히 해결할 수가 없다는 단점이 있었다.
따라서, 최근 각국에서 이에 대한 해결책을 찾으려는 연구가 다양하게 진행되고 있다. 이러한 방법 중의 하나로 제시된 것이 사용이 완료된 플라스틱이 스스로 분해가 가능하도록 만드는 소위 분해성 플라스틱 개발에 관심이 집중되고 있다. 이러한 분해성 플라스틱과 관련된 기술을 세분하면 생분해 기술, 광분해 기술 그리고 이들 두 기술을 조합한 생·광분해 기술로 나뉘어진다. 생분해성 플라스틱으로는 PHB(Poly-hydroxybutylate)등과 같은 미생물 생산 고분자, 미생물 생산 바이오케미칼(Biochemical)을 합성원료로 한 고분자, 화학적으로 합성된 지방족 폴리에스테르, 키틴(chitin) 등의 천연고분자 및 전분 등을 첨가한 플라스틱 등 여러 형태가 있다. 하지만, 상기와 같은 분해성을 향상하기 위해 개질된 플라스틱은 종래의 통상적인 플라스틱에 비해 기계적, 열적 특성이 떨어지며, 또한 제조 비용을 고려하여 값싼 전분 등을 혼합해야 하는 까닭에 투명성 등이 저하되는 문제가 발생하여 그 사용범위가 제한적으로 되는 단점이 있었다.
따라서 상기한 단점을 해결하기 위해, 발효법 개발에 의해 대량으로 값싸게 제조될 수 있으며 퇴비화 조건에서 분해 속도가 빠른 특징을 보유해 그 이용 분야의 범위가 확대되고 있는 폴리유산(Polylactic acid; 이하 "PLA"라 칭함)을 이용한 생분해성 시트가 제공되었다. 예를 들어, 일본국 특허공개공보 제1998-120889호는 PLA가 상용화되기 위해 보강되어야 할 기능성으로는 내열성을 향상을 위해 폴리에스테르 및 다른 생분해성 수지를 블렌딩하는 방법을 개시하고 있으며, 일본국 특허공개공보 제1999-241008호에서는 PLA와 융점이 80 내지 250℃의 생분해성을 갖는 지방족 폴리에스테르와 기타 천연물로 이루어진 조성물로 내열성이 60 내지 120℃인 것을 개시하고 있다. 그러나, 상기한 종래의 폴리유산을 이용한 시트는 생분해성과 기계적인 강도 및 열안정성이라는 상호 반대되는 특성을 모두 만족할 만큼 완전하지는 못한다는 단점이 여전히 있다.
따라서, 본 발명의 제일의 목적은 폴리유산을 주성분으로 하는 생분해성 시트에 있어서 상기와 같이 시트의 주성분인 폴리유산이 제공하는 특징인 생분해성을 전혀 손상하지 않으면서도, 폴리유산 시트의 단점인 약한 기계적 강도, 충격강도 및 열안정성을 완전하게 보완할 수 있는 새로운 생분해성 시트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생분해성 시트의 기계적 강도, 충격강도 및 열안정성을 완전하게 보완함과 동시에 부가적으로 성형성이 우수하고 자외선 차단기능이 탁월한 새로운 생분해성 시트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생분해성과 기계적 강도, 충격강도, 열안정성, 성형성 및 자외선 차단기능이 우수한 생분해성 시트의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 본 발명의 목적은 폴리유산(PLA)에 일정한 비율의 천연성분의 마를 부가함에 의해 달성되어 질 수 있다.
자세하게는, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 폴리유산에 천연섬유인 마섬유를 함께 용융·압출하여 제작한 생분해성 시트 및 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 상기 폴리유산의 함량이 전체 시트 조성물 함량 중 80.0 ~ 99.9 중량부를 차지하고 마섬유의 함량이 0.1 ~ 20.0 중량부를 차지하므로 폴리유산 고유특성인 생분해성과 합성 플라스틱의 물성을 유지하면서도 강도, 내충격성, 열안정성, 자외선차단 기능을 갖춘 실용성이 우수한 생분해성 시트가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 폴리유산은 L-락트산, D-락트산 또는 L,D-락트산으로 구성되며, 분자량은 10,000 이상인 것으로 이들 폴리유산은 단독 혹은 복합으로 사용됨을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 생분해성 시트는 두께는 바람직하기로는 0.15 ~ 1.20mm인 것을 특징으로 한다.
시트의 두께가 상기 범위를 벗어나면 생분해성, 투명성 및 가공성의 측면에서 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 생분해성 시트의 제조방법은:
폴리유산으로 PLA수지 99 내지 30중량부와 마섬유가 10 내지 30중량부 함유된 PLA 베이스 마스터배치 칩 1 ~ 70중량부를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합물을 이축압출기를 통해 일정한 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 토출시켜 시트를 성형하는 단계로 구성됨을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따라 사용되는 마는 인류가 이용하여온 가장 오래된 섬유의 하나로, 특히 천연 섬유 중에서도 통풍성이 뛰어나고 수분의 흡수, 발산성이 뛰어나 가장 시원한 섬유로 차가운 느낌을 주고 쉽게 오염되지 않아 여름용 고급의복으로 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 마는 마디가 있어 세사(細絲)로 방적하기 어렵고 주름이 생기기 쉬운 결점이 있으며, 따라서 구김을 방지하고 잘 펴지게 하기 위해 합성섬유 등과 같은 타 섬유소재와 혼방이나 특수가공을 하여 이 결점을 보완해야 여름 고급 피복용으로 가능하다.
마의 대표적인 것으로는 저마(Ramie: 모시), 아마(亞麻: Linen, Flax), 대마(大麻: Hemp, 삼베), 황마(黃麻: Jute), 마니라마, 사이살마 등이 있다.
특히, 대마는 예로부터 삼 또는 마리화나라 불리며 한대지역을 제외한 온대나 아열대 지역의 전세계에 분포하는 식물로서, 약 100여 가지 이상의 변종과 계통으로 구성되어 있다. 이러한 대마는 CBC, CBG, CBN, CBD, THC 등 약 60여 가지의 주성분물질과 360여 가지의 보조물질이 들어있으며, 칸나비노이드(Cannabinoids)라고 불리는 기능성 성분물질은 대마의 세포 내에서 합성된 후 여러 중간물질의 형태로 전환되다가 최종적으로 CBD나 THC 형태로 식물체에 축적된다.
대마는 일찍이 줄기로부터 섬유를 채취하여 선박의 밧줄이나 가방 등을 만드는데 사용하였고, 종자로부터 얻은 기름은 페인트와 광택제의 원료로, 그리고 암꽃의 포(Bract)로부터는 생리활성 물질을 얻어서 각종 의약으로 사용해 왔다. 대마의 이러한 다양한 쓰임새 때문에 BC 5000년 경부터는 중국(만주)에서부터 재배되기 시작하였고, 이후 동남아시아와 유럽, 북미, 남미, 아프리카 등지로 소개되어 오늘날에는 전세계에 골고루 분포하게 되었다.
특히, 대마섬유는 이제까지 알려진 섬유 가운데 가장 단단하고 질길 뿐 아니라 섬유장이 매우 길어 1~5m에 달하며, 염분에 강하고 물에 젖게 되면 더욱 질겨지는 특성 때문에 선박의 밧줄로 많이 이용되어 왔지만, 늘어나는 수요와 가격상승 때문에 점차 합성수지 제품으로 대체되는 실정이다. 우리나라에서는 대마섬유가 전통적으로 가장 중요한 의류품의 하나로 이용되어 왔지만 근래에 들어 급격한 감소추세에 있으며 점차 자취를 찾기 어렵게 되었지만, 최근 서양에서는 대마의 용도가 다양하게 변화되어 다시금 사용되고 있다. 즉, 실내장식품의 덮개, 커튼, 침구제품, 카페트 등에 대마섬유가 많이 사용되고 있으며, 단단한 종이박스 생산에도 대마섬유가 이용되고, 건축자재인 우드타일(Wood-Tile)에 대마섬유를 25% 정도 첨가함으로써 목재 타일의 질감과 견고성을 획기적으로 향상시킨 압축 목재타일이 생산되고 있다. 또한 마섬유는 천연섬유로서 복합재의 강도 및 내충격성을 증대시켜 주고 열안정성을 향상시켜 주며 항균성, 자외선차단기능, 수맥파의 차단기능을 부여하기 때문에 합성고분자 첨가제로의 이용이 확대되고 있다.
최근 국내의 대마관련 전문업체인 햄프코리아로부터 개발된 원단에서 수맥파, 자외선, 전자파 차단, 항균작용, 원적외선방출 및 방음의 기능이 입증되었다(원사직물연구소 리포트 No.41-41-01-33548).
상기와 같이 구성되는 본 발명의 생분해성 시트는 폴리유산과 마섬유가 일정비율로 혼합되어 제조되므로 폴리유산 만으로 된 시트의 부서지기 쉬운(brittle) 단점과 충격에 약한 단점 및 열에 취약한 성질이 천연섬유인 마섬유의 사용을 통해 개선을 이루었으며, 더욱이 상기한 폴리유산의 단점을 천연섬유로 생분해성을 갖는 마섬유를 적용하여 개선함으로써 우수한 자외선 차단기능을 가지면서, 폴리유산의 특성인 생분해성을 더욱 향상한 생분해성 시트 및 그 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 시트는 폴리유산에 마섬유를 첨가시켜 제조된 것을 특징으로 하여 기존의 플라스틱과 유사한 가공성, 성형성, 물성, 기능성을 보유해 실제 사용이 가능한 환경친화성 제품이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적인 내용을, 이하에서 일 실시형태로 보다 자세하게 설명한다.
상기와 같이 본 발명의 생분해성 시트는 폴리유산이 80.0 ~ 99.9 중량부이고 마섬유가 0.1 ~ 20.0 중량부를 차지하는 시트 조성물을 용융·압출하여 제조된다.
상기와 같이 본 발명의 시트 조성물을 구성하는 마섬유로 본 발명에 사용할 수 있는 마섬유에는 라미, 아마, 대마, 황마, 마니라마, 사이살마 등에서 선택되는 단 섬유가 있다. 바람직하기로는 조경, 강인성이 강하면서 경량인 점에서 마니라마 및 황마가 특히 적합한 보강섬유이나 이에 한정된 것은 아니다. 마섬유의 투입은 1종 또는 2종 이상을 함유하는 마스터배치 칩(chip)으로 제조하여 시트 압출시 사용한다. 본 마스터배치 칩 제조시에 사용되는 베이스(base) 원료로는 분쇄된 폴리유산(PLA) 원료를 사용하며, 투입되는 마섬유의 길이는 0.3 ~ 10mm의 넓은 범위, 바람직하게는 4 ~ 7mm의 범위로 정할 수 있다. 또한 전체 마스터배치 칩의 함량 중에서 10 ~ 30중량부로 투입되어야 한다. 전체 마스터배치 칩의 함량에서 마섬유의 함량은 클수록 좋으나, 마스터배치 칩 제조공정에서 우수한 분산성과 생산성을 가지기 위해서는 10 ~ 30 중량부가 가장 좋고 가장 바람직하기로는 10 ~ 20 중량부이다.
상기의 폴리유산과 천연섬유인 마섬유로 이루어지는 마섬유로 보강한 생분해성 시트는 상기 각 성분으로 된 조성물을 혼합하고 용융·압출하여 제조되며 전체 시트 조성물의 함량에서 폴리유산의 함량은 99.9 ~ 80.0 중량부로 조절되어야 하며, 바람직하게는 99 ~ 90 중량부이다. 또한, 마섬유의 함량은 전체 시트 조성물의 함량에서 0.1 ~ 20.0중량부가 되어야 하며, 바람직하게는 1 ~ 10중량부가 가장 좋다. 마섬유의 비율이 상기 범위보다 작게 되면 강도, 내충격성, 열안정성, 자외선차단 기능면에서 떨어지고 폴리유산의 비율이 작게 되면 성형성에 문제가 발생하게 되어 바람직하지 않다.
특히, 비록 상기 마섬유의 비율이 성형성에 크게 문제를 발생하지 않으면서 40중량부 까지도 포함될 수 있으나 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.
상술된 바와 같이 본 발명은 폴리유산의 무른 단점, 열에 취약한 성질을 보완함과 동시에 생분해성 시트조성물에 자외선차단 기능을 추가한 것으로 기존의 합성플라스틱과 유사한 물성을 가지지만 사용이 완료된 후 일반적인 퇴비조건에서 생분해가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다음의 실시예 및 비교예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하는 것이지만, 본 발명의 범주를 한정하는 것이 아니다. 먼저 본 발명의 설명을 위해 필요한 측정 및 평가 방법은 아래와 같은 조건에서 행하였다.
(1) 기계적 강도
인장시험기를 사용하여 온도 23±2℃, 상대습도 50±2%인 상태에서 인장속도 10mm/분으로 측정을 행하였다. 또한, 시트의 길이방향을 MD, 폭방향을 TD로 표시하였다.( ASTM D 882A)
(2) 충격강도 (Notched Izod Impact Strength)
충격강도 시험기를 사용 ASTM D256 법에 의거하여 측정을 행하였다.
(3) 열안정성
항온항습기에 온도 60℃, 습도 50%의 조건에서 두께가 0.35mm인 성형품을 3일 동안 방치한 후, 변형이 일어나지 않은 것은 ○, 약간의 찌그러지는 변형이 일어나는 것은 △, 극히 심한 변형이 일어난 것은 × 로 표시하였다.
(4) 성형성
진공성형기를 통한 시트(sheet)의 진공성형 시 성형품의 완성 정도에 의해 ○, △, × 로 표시하였다.
(5) 자외선 차단성
가로 10㎝ X 10㎝ 시료를 박스에 넣고 고정부에 취부 밀폐 후 스캔 모드에서 조건을 입력, 200nm ~400nm의 영역의 UV특성에 대한 평가는 UV Visble Spectrometer(Shimadzu, Japan)를 이용하여 자외선 투과율을 측정하였다.
실시예 1
폴리유산으로 N.W LLC사의 PLA수지 90.0kg과 마섬유가 20중량부 함유된 PLA 베이스 마스터배치 칩 10.0kg을 혼합하여 전체 조성물 함량이 PLA 98.0중량부, 마섬유 2.0중량부가 되도록 한 후 이축압출기를 통해 210 ~ 240℃의 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 슬립(SLIP)형 다이(DIE)를 통해 토출시켜 350㎛ 두께의 시트를 제조하였다. 제조된 시트에서 시편을 제작하여 성형성, 인장강도, 신도, 열안정성, 자외선 차단성을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 2
폴리유산으로 N.W LLC사의 PLA수지 80.0kg과 마섬유가 20중량부 함유된 PLA 베이스 마스터배치 칩 20.0kg을 혼합하여 전체 조성물 함량이 PLA 96.0중량부, 마섬유 4.0중량부가 되도록 한 후 이축압출기를 통해 210 ~ 240℃의 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 슬립형 다이를 통해 토출시켜 350㎛ 두께의 시트를 제조하였다. 제조된 시트에서 시편을 제작하여 성형성, 인장강도, 신도, 열안정성, 자외선 차단성을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 3
폴리유산으로 N.W LLC사의 PLA수지 60.0kg과 마섬유가 20중량부 함유된 PLA 베이스 마스터배치 칩 40.0kg을 혼합하여 전체 조성물 함량이 PLA 92.0중량부, 마섬유 8.0중량부가 되도록 한 후 이축압출기를 통해 210 ~ 240℃의 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 슬립형 다이를 통해 토출시켜 350㎛ 두께의 시트를 제조하였다. 제조된 시트에서 시편을 제작하여 성형성, 인장강도, 신도, 열안정성, 자외선 차단성을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 4
폴리유산으로 N.W LLC사의 PLA수지 20.0kg과 마섬유가 20중량부 함유된 PLA 베이스 마스터배치 칩 80.0kg을 혼합하여 전체 조성물 함량이 PLA 84.0중량부, 마섬유 16.0중량부가 되도록 한 후 이축압출기를 통해 210 ~ 240℃의 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 슬립형 다이를 통해 토출시켜 350㎛ 두께의 시트를 제조하였다. 제조된 시트에서 시편을 제작하여 성형성, 인장강도, 신도, 열안정성, 자외선 차단성을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
비교예1
폴리유산으로 N.W LLC사의 PLA수지 100.0kg으로 전체 조성물 함량이 PLA 100.0중량부가 되도록 한 후 이축압출기를 통해 210 ~ 240℃의 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 슬립형 다이를 통해 토출시켜 350㎛ 두께의 시트를 제조하였다. 제조된 시트에서 시편을 제작하여 성형성, 인장강도, 신도, 열안정성, 자외선 차단성을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 조성 | 물성 | ||||||
| PLA(중량부) | 마섬유(중량부) | 충격강도(kgf·cm/cm) | 인장강도 (㎏/㎟) | 열안정성 | 성형성 | 자외선 차단률(%)(380nm) | ||
| MD | TD | |||||||
| 실시예 1 | 98.0 | 2.0 | 24.5 | 5.61 | 5.60 | △ | ○ | 17 |
| 실시예 2 | 96.0 | 4.0 | 25.1 | 5.82 | 5.80 | △~○ | ○ | 18.5 |
| 실시예 3 | 92.0 | 8.0 | 26.5 | 6.10 | 6.05 | ○ | ○ | 22 |
| 실시예 4 | 84.0 | 16.0 | 28.9 | 6.50 | 6.40 | ○ | ○ | 30 |
| 비교예 1 | 100.0 | 0 | 24 | 5.50 | 5.50 | △ | ○ | 15 |
상기와 같이 구성되는 본 발명의 생분해성 시트는 폴리유산과 마섬유로 구성됨으로 우수한 생분해성을 유지하면서도 종래 폴리유산으로 된 시트의 깨어지기 쉬운 단점과 열에 취약한 성질을 보완하며, 마섬유가 일정비율로 함유됨으로써 자외선 차단기능이 개선되었다. 또한, 본 발명의 생분해성 시트는 천연섬유인 생분해성 마섬유를 일정비율 이하로 첨가시킴으로서 기존의 플라스틱과 유사한 가공성, 물성, 기능성을 보유해 실제 사용이 가능한 환경친화성 제품을 제조하기에 적합한 실용가치가 우수한 시트 조성물이다.
Claims (6)
- 폴리유산의 함량이 전체 시트 조성물 함량 중 80.0 ~ 99.9 중량부를 차지하고 마섬유의 함량이 0.1 ~ 20.0 중량부를 차지하는 시트 조성물에 의해 제조된 것임을 특징으로 하는 생분해성 시트.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리유산은 L-락트산, D-락트산 또는 L,D-락트산으로 구성되며, 분자량은 10,000 이상인 것으로 이들 폴리유산은 단독 혹은 복합으로 사용된 것임을 특징으로 하는 생분해성 시트.
- 제 1항에 있어서, 상기 마섬유는 저마(Ramie: 모시), 아마(亞麻: Linen, Flax), 대마(大麻: Hemp, 삼베), 황마(黃麻: Jute), 마니라마, 사이살마로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 시트.
- 제 1항에 있어서, 상기 생분해성 시트는 두께가 0.15 ~ 1.20mm인 것을 특징으로 하는 생분해성 시트.
- 폴리유산으로 PLA수지 99 내지 30중량부와 마섬유가 10 내지 30중량부 함유된 PLA 베이스 마스터배치 칩 1 ~ 70중량부를 혼합하는 단계; 및상기 혼합물을 이축압출기를 통해 일정한 가공온도에서 용융 블랜딩 시킨 후 토출시켜 시트를 성형하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 생분해성 시트의 제조방법.
- 청구항 1의 생분해성 시트를 이용한 포장용기용 랩이나 필름.
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| KR1020070084354A KR20090019999A (ko) | 2007-08-22 | 2007-08-22 | 천연 마섬유로 보강한 생분해성 시트 및 그의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20160036679A (ko) * | 2014-09-25 | 2016-04-05 | 주식회사 현진피오피 | 친환경성 복합재료 제조방법 및 이로부터 제조된 복합재료 |
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