KR20100113309A

KR20100113309A - 생분해성 일회용 용기의 제조 방법 및 그 조성물

Info

Publication number: KR20100113309A
Application number: KR1020090031816A
Authority: KR
Inventors: 김융식; 홍광영
Original assignee: (주)에코벅
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-10-21

Abstract

본 발명은 값싼 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 식물성 폐기물들을 주성분으로 하는 생분해성 용기의 제조방법과 그 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산 폐기물들을 주성분으로 사용하여 기존의 발포성 폴리스티렌 일회용 용기와 유사한 외관과 물리적 특성을 지닌 동시에 자연 미생물에 의해 생분해되는 값싼 용기를 제조하기 위한 생분해성 일회용 용기의 제조 방법 및 그 조성물에 관한 것이다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로 용기의 외관, 강도 , 내수, 내유성과 성형성 등 기계적 물성과 파기 후의 생분해에 따른 환경오염방지 및 값싼 원료로서의 수급과 경제성의 충족이 가능한 소재를 이용하여 생분해성 용기를 제조할 수 있도록 함을 목적으로 한다.

본 발명은 각종 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 값싼 농작물의 부산물과 기능성 소재 백토, 그리고 전분과 펄프 및 불용성 소재를 혼합하여 가열·가압 성형하도록 함으로서 성형에 의한 외관, 강도 등의 기계적 물성과 원료의 수급이 용이한 용기 제조방법 및 그 조성물을 제공하는데 있다.

또한 오랜 시간 동안 수분에 안정적으로 유지되어 코팅으로 인한 번잡성이 없고 비용절감을 이루고 식품용 용기로서 안전성이 충족되는 일회용 용기, 식품용기로서 상품성을 크게 증대할 수 있도록 하는 것이다.

글리콜(glycol), MMA; 메틸 메타크릴레이트(MMA; methyl methacrylate)

Description

생분해성 일회용 용기의 제조 방법 및 그 조성물{Composition of Container Comprising BiodegradableStarch and Manufacturing Method thereof}

주지하는 바와 같이 공업 발전과 함께 소득수준의 향상으로 생활환경과 식생활문화의 변화에 따른 인스턴트식품 증가 및 포장 식품 등으로 위생적이고 편리하며 생산성과 미려함이 충족되는 값싼 일회용 제품의 수요가 증가하고 있다.

이러한 일회용 용기들은 유리제품에서의 보관 불량과 높은 파손율, 사용 후 세척, 생산성의 저하 및 높은 제조 가격에 의한 문제점을 개선하고 사용 후 버릴 수 있는 종이, 발포수지 등으로 제조된 일회용 용기의 사용이 증가되고 있다.

특히 값싼 일회용 용기들은 패스트푸드점, 편의점 및 자동판매기에서 대량으로 사용되고 있으나, 이러한 용기들은 합성수지인 발포성 폴리스티렌을 일정한 두께의 시트발포지를 형성한 후 진공장치가 부착된 금형에서 압축하고 급속히 공기를 제거하여 제조한 발포용기와 종이에 합성수지인 폴리에틸렌을 피복시켜 제조한 원지를 이용하는 등의 용기를 이루어진다.

이러한 용기류는 우수한 장점으로 인해 사용량이 매년 증가하는 반면에 그 사용량에 비례하여 환경오염도 가중되고 있다.

즉, 폐기된 용기류의 처리 방법은 각종 쓰레기와 같이 매립되는 경우 토양에 존재하는 전이금속이나 미생물에 의해 거의 분해되지 않으며, 소각의 경우 유독 가스(다이옥신, 일산화탄소 등)를 대량 발생하여 지구 온난화는 물론 인체에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제점을 해결하는 방법으로 폐자원의 재활용이라는 측면에서 재생처리 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으나 분리수거에 대한 어려움과 더불어 수거 후에도 혼입된 불순물 제거 등 많은 문제점이 있다.

최근 기존의 합성수지와 성질이 유사하면서 자연계의 미생물에 의해 쉽게 분해되는 생분해성 고분자로는 화학합성을 통한 지방족 폴리에스테르(aliphatic polyester), 발효에 의한 폴리히드록시알카노에이트[poly(hydroxy-alkanoate),PHA] 및 폴리히드록시부틸레이트[poly(hydroxyl-butyrate), PHB] 및 이들과 천연고분자인 셀룰로스 또는 전분의 복합물 등이 있다. 이중 자연계에 풍부하게 존재하고 가격 또한 저렴한 전분이 함유된 생분해성 고분자에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

전분은 주로 옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 밀, 쌀 등에서 얻어지는 것으로 자연계에서 가장 손쉽고 저렴하게 얻을 수 있는 천연고분자로서 포도당이 α-1,4 글루코시드 결합으로 이루어진 아밀로스와 포도당이 α-1,4 글루코시드 결합 및 α-1,6글루코시드 결합을 하고 있는 아밀로펙틴으로 구성되어 있는 물질로서 일반적으로 0∼28%의 아밀로스를 함유하고 있다.

전분은 출처 및 품종에 따라 이 화학적 특성 차이가 클 뿐만 아니라 가공 및 저장하는 동안 여러 성분과 상호작용으로 인하여 물리적 성질이 크게 좌우되기 때문에 사용하고자 하는 용도에 따라 가교, 에테르, 에스테르, 산처리, 산화 및 그라프트시킨 변성전분을 사용하고 있다.

종래의 방법들은 발포 폴리스티렌과 유사한 물성을 가지며 제조방법이 간단하지만 천연고분자와 사용하는 첨가제 중 분해되지 않는 원료의 첨가로 인해 분해성에 문제가 제기되고 있고, 가격 또한 고가이므로 실용화에 있어 어려움을 겪고 있는 실정이다. 독일의 바이오텍사에서 감자전분, 타피오카 전분을 이용한 제품이 개발되어 실용화 단계에 있으나, 내수성이 떨어지며 기계적 물성 및 제조원가 측면에서도 비경제적일 뿐만 아니라 국내에서 원료 수급상 어려운 측면도 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 국가에서는 생분해성 고분자계 사업으로 우리나라를 환경기술을 G-7 국가 수준으로 향상시키고 환경보전의 지속을 위하여 국가적인 연구비를 투입하여 생분해성 고분자 기술을 개발하고 있으며 또한 생분해도에 대한 측정방법으로도 현재 국제표준의 ISO 14855 방법 또는 이를 국제표준화 한 KS M 3100-1 방법을 적용하고 있는데, 초기 45일 동안 생분해도가 표준물질 대비 60%이상(절대치 42%이상 분해)이거나, 180일 기간동안 생분해도 값이 표준물질 대비 90%이상 (절대치 63%이상 분해)을 규정하고 있다.

전분계 플라스틱은 단순히 전분을 기존의 PE, PP, PS등에 섞고 분해가속제를 첨가하여 제조한 합성수지를 일명 생붕괴성 합성수지라고 부르기도 하며, 가격이 저렴하고 당장 실용화가 가능하여 초창기에 검토 대상이었지만, 근본적으로 합성수지가 미세하게 되는 것일 뿐 완전분해가 되지 않고, 이 분야에 대한 생분해성 시험 기준이 확실치 않아 선진국에서는 기피하고 있고 천연고분자계 플라스틱은 동식물에서 추출되는 천연고분자(전분, 셀룰로오스, 펙틴, 리그닌, 키틴질 등)를 주원료로 제조된 플라스틱이며, 완전 분해되는 장점이 있으나, 물성이 고르지 못하고 강도가 약한 단점이 있다.

그러나, 생분해성 합성수지는 미생물이나 자외선에 의해서 자연 상태에서 수 주일만에 분해되는 합성수지인데, 가격이 기존의 합성수지보다 1.6~4배 비싸고 물성이 일부 취약한 면이 있지만, 점차 대량 생산이 가능하고 일반 합성수지와 거의 동일한 물성으로 개발되고 있다.

이러한 문제들을 개선하기 위한 본 발명자의 선출원발명 대한민국 등록특허 10-0581036호 또는 이건 발명자에 의한 다수 건들에서는 기계적 물성, 생분해성 및 경제성을 증대하기 위하여 천연고분자로 값싼 전분 특히 식용가능 한 농산물 옥수수, 감자, 고구마 등을 대략 80%로 사용함으로써 이상적인 가격대를 유지하였으나, 원유가격의 상승과 2008년경부터는 환경변화에 따른 농작물의 생산량이 급감과 함께 전분 특히 옥수수, 밀 등을 이용하는 친환경 바이오연료의 기술이 더욱 발전되어 농산물의 가격상승에 의하여 일회용 용기의 원료로서 제조원가를 충족할 수 없게 되는 문제로 전분이 값싼 소재로 사용할 수 없게 되고 높은 가격대를 유지함으로써 선행발명과 함께 전분을 이용한 일회용 용기의 제조에 많은 문제가 발생되어 현재 종전의 플라스틱제로 제조되는 문제가 발생하고 있는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원료의 수급과 비용의 절감으로 경제성을 충족시키기 위하여 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 농작 물의 폐부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 폐부산물을 주성분으로 하여 원료의 수급이 용이하고 저렴한 원료 및 생산가를 충족할 수 있도록 하였다.

또한 살충, 중화를 촉진시켜 해독과 적외선 방출 등에 의한 인체 유익물질로 알려진 백토 등과, 성형성 증대와 견고성을 증대하기 위한 전분 및 펄프 그리고 수용성 용제로서 메타크릴산 메틸(methyl methacrylate)과 물, 글리콜(glycol)이 혼합되어 인장, 강도, 내유, 내수제의 보강제는 인체에 무해하고 발수, 방수 등을 제공하는 용제로서 MMA; 메틸 메타크릴레이트(MMA; methyl methacrylate) 중 어느 하나를 사용할 수 있도록 함으로써 제조원가를 절감하고 상품성 및 내수성을 증대할 수 있도록 한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 생분해성 용기는 기존의 발포성 폴리스티렌 용기와 유사한 기계적 물성을 나타내며 생분해성 또한 우수하다. 따라서 본 발명은 기존의 비분해성 일회용 용기를 대체함으로써 소각, 회수, 매립지 오염등의 환경문제를 해결할 수 있으며, 환경규제에 크게 기여할 것으로 판단되며,

특히, 자연 상태에서 쉽게 썩는 재질로 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 부산물로서 수급이 용이하고 저렴한 비용에 의한 생산가로 대량생산성이 충족되고 종래의 1회용 용기 특히 전분발포용기에 비하여 원등한 방수성 및 용제가 가지는 보호, 방식, 내유, 평활화, 광택과 황 토등에 따른 살균, 항균성 등이 발휘되며, 수용성 및 점결제의 발수성으로 수분으로부터 대략 48시간 동안 유지되는 것이다.

이하에서 바람직한 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

① 주재료 제조단계

저렴한 비용과 대량 수급의 용이성을 충족하기 위한 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 부산물을 150~300매쉬로 분쇄한 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합된 생분해성 농작물의 부산물 30~35중량%,

천연고분자로 전분 25~30중량% 및

섬유질 펄프 7~10중량%와,

수용성 섬유소 유도체인 CMC(Carboxy Methyl Cellulose, 카르복시메틸셀룰로오스) 3~5중량%

상기 CMC는 화학적으로 매우 안정하며, 특히 인체에 무해 무독하여 증점 및 증량제, 유화분산제, 접착제 등 여러 가지 용도로 사용되고, 식품첨가물공전규격, 대한약전규격, 양어사료용 첨가물규격 등에 적합한 소재로서 여러 산업분야에 다양하고 폭넓게 사용되고 있는 소재이다. 또한, CMC는 곰팡이가 피는 것을 방지하는 효능이 있어 전분제 용기에 보존성을 부여하는 특징 및,

기능성 소재로서 살충, 중화, 흡착, 해독 및 유해 물질의 제거와 원적외선 방출에 따른 신선도유지 등의 기능성 토르말린 또는 백토, 고령토, 일라이트 중 어느 하나 또는 혼합된 분말 백토로 이루어지는

기능성 소재5~10중량%를 구비하여 교반혼합시켜 주원료 75~88중량%를 제조하는 주원료 제조단계,

② 수용성 용제 제조단계;

메틸 에스테르(mathyl metacrylate) 23.1중량%와, n-부틸 에스테르(butyl acrylate) 8.5중량%, 안크릴산 옥틸(2-ethylhexyl acrylate) 12중량% 그리고 유화제 2.6중량% 물 53.8중량%를 교반혼합한 100중량%의 보강, 접착성 수용성용제 제조단계,

③ 수용성 용제 제조단계;

MMA; 메틸 메타크릴레이트(MMA; methyl methacrylate)로 이루어지는 분말경화 촉진용 수용성 용제 제조단계;

상기 메틸 메타크릴레이트(MMA; methyl methacrylate)은 메타크릴산 에스테르 (methacrylate ester) 15~30중량% 아크릴산 에스테르(acrylic ester) 15~30중량% 물 52~54중량%, 글리콜(glycol) 10~20중량%를 교반혼합하여 100중량%를 이루어지며 메틸메타크릴레이트 우수한 강도, 투명성을 가질 뿐만 아니라, 제조단가를 낮 출 수 있는 용기를 제공하는 효과를 갖는다.

실시 예 1 ;

상기의 제조단계로 얻어진 각각의 소재를 다음과 같이 혼합하였다.

상기에 구비된 주재료 농작물의 부산물, 전분, 펄프, 기능성 소제와 수용성 섬유소 유도체인 CMC가 혼합된 주원료 75~88중량%에

상기에서 구비된 보강, 접착성 수용성용제 10~25중량% 또는 분말경화 촉진용 수용성 용제로 MMA 10~25중량% 중 어느 하나를 혼합하여 서서히 교반시켜 죽 상태의 반죽물로 이루어지는 용기 성형원료를 제조하였다.

상기에서 얻어진 용기 성형원료는 공지와 같이 160∼200℃로 가열된 성형기에 주입하고 대략 0.1∼10 Pa(N/m2)의 압력을 가하고, 100∼160초간 성형하여 본 발명의 용기를 제조하였다.

실시 예 2 ;

상기에 구비된 주재료 농작물의 부산물, 전분, 펄프, 기능성 소제와 수용성 섬유소 유도체인 CMC가 혼합된 주원료 75~88중량%에 상기에서 구비된 보강, 접착성 수용성용제 10~25중량%를 혼합하여 서서히 교반시켜 죽상태의 반죽물로 이루어지는 용기 성형원료를 제조하였다.

실시 예 3 ;

상기에 구비된 주재료 농작물의 부산물, 전분, 펄프, 기능성 소제와 수용성 섬유소 유도체인 CMC가 혼합된 주원료 75~88중량%에 상기에서 구비된 분말경화 촉진용 수용성 용제로 MMA 10~25중량%를 혼합하여 서서히 교반시켜 죽 상태의 반죽물로 이루어지는 용기 성형원료를 제조하였다.

이러한 실시 예 1, 2, 3 중 어느 하나로 조성된 조성물을 이용하여 공지와 같이 160∼200℃로 가열된 성형기에 주입하고 대략 0.1∼10 Pa(N/m2)의 압력을 가하고, 100∼160초간 성형하여 본 발명의 용기를 제조하였다.

실시 예 4 ;

상기에서 구비된 보강, 접착성 수용성용제 10~25중량% 또는 분말경화 촉진용 수용성 용제로 MMA 10~25중량% 중 어느 하나를 혼합하여 서서히 교반시켜 죽 상태의 반죽물로 이루어지는 용기 성형원료를 제조하되,

상기 보강, 접착성 수용성용제 또는 분말경화 촉진용 수용성 용제 MMA 중 어느 하나를 코팅제로 이용하여 금형에 도포시켜 용기를 상기 조건으로 성형함으로써 용기의 내측면 또는 외측면에 코팅층이 도포되도록 제조한다.

이상에 의한 용기는 제조시 성형기의 온도, 압력 및 성형시간은 서로 밀접한 관계를 가지고 있다. 즉, 성형기의 내부온도가 낮게 조절된 상태에서는 성형시간이 증가하고, 성형하는 동안 일정압력을 가하지 않으면 발포되지 않으며 압력이 높을 경우는 과도하게 발포되어 성형성이 저하된다.

이러한 특성에 따라 본 발명에서 제시된 온도, 압력 및 성형시간은 용기의 두께 형태 등과 기온 등의 작업여건에 따라 변화될 수 있는 것이므로 본 발명에서 제시된 것으로 한정하는 것은 아니다.

생분해성 펄프는 섬유질로 목재, 직물지, 식물 등에서 축출된 섬유질 또는 분해성 수지재의 섬유질 등을 이용하고 본 발명에 의한 용기는 다양한 성형기의 내부온도, 압력, 성형시간에 대해 측정해본 결과 본 발명의 명세서에 기재된 성형기의 내부온도, 압력, 성형시간에서 최적의 용기를 제조할 수 있으나, 용기의 형태, 크기, 사용 목적 등에 따라 조절되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 제조된 용기는 자연 상태에서 쉽게 썩는 재질, 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 부산물과 전분, 펄프로 만들어져 환경오염을 크게 감소하고 또한 쉽게 썩고 또는 동식물의 사료 및 퇴비로서 재활용 가능한 친환경적이다.

이러한 용기는 용제가 가지는 보호, 방식(防蝕),내유(耐油), 평활화(平滑化),표지(標識),광택, 살균 등이 발휘되며 또한 인장력과 견고성 및 내수성이 향상되며 수용성 및 점결제로서의 발수성으로 수분으로부터 대략 48시간 동안 유지되고 있다.

이상에 의해 제조된 본 발명의 성형원료는 금형에 공급하되, 이때 성형원료 또는 용기의 내외측으로 종이코팅이 이루어지도록 종이 성형원료 종이 순으로 공급하거나 또는 성형원료와 종이 그리고 성형원료 순으로 공급시켜 용기 내측으로 종이층이 구성되어 인장력과 견고성을 더욱 증대할 수 있도록 한 용기를 제조할 수 있는 것이다.

이러한 공급순서는 필요에 따라 선택하여 제조되는 것이 바람직하다.

Claims

저렴한 비용과 대량 수급의 용이성을 충족하기 위한 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 부산물을 150~300매쉬로 분쇄한 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합된 생분해성 농작물의 부산물, 천연고분자로 전분 및 섬유질 펄프 그리고 수용성 섬유소 유도체인 CMC(Carboxy Methyl Cellulose, 카르복시메틸셀룰로오스)와 기능성 소재로 이루어지는 주원료를 제조하는 주원료 제조단계와,

수용성 용제 제조단계로 보강, 접착성 수용성용제 제조단계 또는 분말경화 촉진용 수용성 용제 제조단계 및

상기에 구비된 주재료 농작물의 부산물, 전분, 펄프, 기능성 소제와 수용성 섬유소 유도체인 CMC가 혼합된 주원료 75~88중량%에

상기에서 구비된 보강, 접착성 수용성용제 10~25중량% 또는 분말경화 촉진용 수용성 용제로 MMA 10~25중량% 중 어느 하나를 혼합하여 서서히 교반시켜 죽 상태의 반죽물로 이루어지는 용기 성형원료를 제조하는 단계로 이루어지는 생분해성 일회용 용기의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 용기는 성형원료로 성형된 용기의 내, 외측 또는 용기의 내측으로 종이 층이 형성되도록 제조되는 용기로 이루어지는 생분해성 일회용 용기의 제조 방법.
저렴한 비용과 대량 수급의 용이성을 충족하기 위한 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 부산물을 150~300매쉬로 분쇄한 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합된 생분해성 농작물의 부산물 30~35중량%, 천연고분자로 전분 25~30중량% 및

섬유질 펄프 7~10중량%와, 수용성 섬유소 유도체인 CMC(Carboxy Methyl Cellulose, 카르복시메틸셀룰로오스) 3~5중량%, 그리고 기능성 소재5~10중량%를 구비하여 교반 혼합시켜 주원료 75~88중량%를 제조하는 주원료와

수용성 용제로서 보강, 접착성 수용성용제 또는 MMA; 메틸 메타크릴레이트(MMA; methyl methacrylate) 중 어느 하나가 10~25중량%로 이루어지는 생분해성 일회용 용기의 조성물.
제 3 항에 있어서,

상기 저렴한 비용과 대량 수급의 용이성을 충족하기 위한 농작물에서 알곡을 수확한 후 폐기되는 잔여 부산물 옥수수대, 밀대, 왕겨 등의 부산물을 150~300매쉬로 분쇄한 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합된 생분해성 농작물의 부산물 30~35중량%,

천연고분자로 전분 25~30중량% 및

섬유질 펄프 7~10중량%와, 수용성 섬유소 유도체인 CMC(Carboxy Methyl Cellulose, 카르복시메틸셀룰로오스) 3~5중량% 기능성 소재5~10중량%를 구비하여 교반혼합시켜 주원료 75~88중량%로 이루어지는 생분해성 일회용 용기의 조성물.
제 3 항에 있어서,

상기 수용성 용제는 메틸 에스테르(mathyl metacrylate) 23.1중량%와, n-부틸 에스테르(butyl acrylate) 8.5중량%, 안크릴산 옥틸(2-ethylhexyl acrylate) 12중량% 그리고 유화제 2.6중량% 물 53.8중량%를 교반혼합한 100중량%의 보강, 접착성 수용성용제 또는 MMA; 메틸 메타크릴레이트(MMA; methyl methacrylate)로 이루어지는 분말경화 촉진용 수용성 용제 또는 어느 하나가 코팅제로 이루어지는 생분해성 일회용 용기의 조성물.