KR20110138495A - 커피 부산물 및 재생 대나무 숯을 재활용한 폴리락트산 바이오복합재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리락트산 생분해성 고분자 분말, 커피부산물 분말 및 결합제로 MDI (4,4-Methylene diphenyl diisocyanate)가 혼합 성형되어 제조되는 바이오복합재료에 관한 것이며, 재생 대나무 숯 분말이 더욱 포함될 수 있고, 본 발명에 의한 바이오복합재료는 종래 천연충전재 및 흡착제를 대체할 수 있는 저가의 식품폐기물을 적용함으로써 폐기 천연자원 재활용 및 원료수급의 원활한 공급 및 가격 경쟁력을 달성할 수 있다.

Description

커피 부산물 및 재생 대나무 숯을 재활용한 폴리락트산 바이오복합재료{Bio-composite with coffee by-product and recycled bamboo charchaol powders}

본 발명은 폴리락트산 바이오복합재료, 특히 생분해성 고분자인 폴리락트산(PLA) 및, 커피부산물 분말, 선택적으로 재생 대나무 숯 분말이 포함되는 PLA 바이오복합재료에 관한 것이다.

최근 지구 환경문제에 대한 인식이 증가하고, 폐플라스틱 처리문제, 기후변화 협약, 새로운 환경법규 규정 등 세계적으로 환경문제에 대한규제가 점차 강화되고 있으므로 환경친화적인 신소재로써 바이오복합재료(bio-composites)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 바이오복합재료는 셀룰로오스(cellulose)계 물질인 목분, 왕겨분말, 대나무분말 등 천연분말(natural flour)과 목재섬유, 목분, 마, 모시 등 천연섬유(natural fibers)를 보강제(reinforcements)로 사용한 고분자 복합재료로서 주로 기존에 무기질 원료인 탄소섬유와 유리섬유를 보강재로 한 고분자 복합재료의 대체용으로 사용되고 있다. 이러한 바이오복합재의 장점으로는 기존의 무기질 충전제와는 달리 생분해되므로 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다.

최근 전 세계적으로 커피 소비량이 증가되고 있고, 이에 따라 원두커피를 내리고 생성되는 부산물은 식품 쓰레기로 버려지게 되는데 커피부산물을 복합재료의 충전재로 사용할 경우 다른 천연 충전재에 비해 가격 경쟁력을 높이면서 자원의 활용을 높일 수 있는 장점이 있다. 한편, 주택 실내 또는 일상용품에서 방산되는 유해물질과 관련하여 휘발성유기화합물(Volatile organic compounds)이 문제로 부각되고 있으며 이를 처리하기 위한 다양한 방안들이 제안되고 있다. 이와 관련하여 소주 정제 후 폐기되는 대나무 숯을 흡착제로 바이오복합재료에 적용하여 휘발성유기화합물(VOC) 방산을 저감시킴과 동시에 제조 단가를 낮출 수 있는 방안이 요청된다.

본 발명의 목적은 종래 식품쓰레기로 폐기 처분되었던 커피부산물을 바이오복합재료 원료로 활용하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 역시 폐기물로 간주되었던 재생 대나무 숯을 커피부산물 적용 바이오복합재료에 활용하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 천연충전재 및 흡착제를 적용하면서도 생분해성 복합재료의 특성을 유지하면서 기계적 물성을 개선하기 위한 결합제가 포함된 폴리락트산 바이오복합재료를 제안하는 것이다.

본 발명은 폴리락트산 생분해성 고분자 분말, 커피부산물 분말 및 결합제로 MDI (4,4-Methylene diphenyl diisocyanate)가 혼합 성형되어 제조되는 바이오복합재료에 의해 달성된다. 비제한적으로 재생 대나무 숯 분말이 더욱 포함될 수 있다.

본 발명에 의한 바이오복합재료는 종래 천연충전재 및 흡착제를 대체할 수 있는 저가의 식품폐기물을 적용함으로써 폐기 천연자원 재활용 및 원료수급의 원활한 공급 및 가격 경쟁력을 달성할 수 있다. 본 발명에 의한 복합재료는 상기와 같은 식품폐기물을 재활용할 뿐 각종 분야에서 수용될 수 있는 기계적 물성이 달성될 수 있다.

도 1은 열 추출기 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 바이오복합재료 성분 중 천연충전재 비율에 따른 인장강도 측정결과를 도시한 것이고,
도 3은 MDI를 포함된 경우의 인장강도 측정 그래프이다.
도 4는 바이오복합재료 성분 중 천연충전재 비율에 따른 굴곡강도 측정결과를 도시한 것이고,
도 5는 MDI를 포함된 경우의 굴곡강도 측정 그래프이다.
도 6은 PLA/CG의 응력과 변형율 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 재생 대나무 숯 비율에 따른 TVOC 감소율 측정 결과를 도시한 것이다.
도 8은 처리조건에 따른 LDPE 및 PP의 TVOC 감소율을 도시한 것이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명하고자 하나 이는 단지 예시를 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 우선 본 발명에 따른 바이오복합재료 구성 성분들을 설명하며, 이를 적용한 본 발명에 따른 복합재료 및 실험 예들을 기술하고자 한다.

실시예

1. 바이오복합재료 주재료 구성

본 발명에서 예시된 생분해성 고분자는 NatureWorks에서 입수된 poly(lactic acid) (PLA)이며, 용융지수는 15g/10분이고, 밀도는 1.22g/cm3이다. 대조군으로 예시된 석유계 고분자인 저밀도폴리에틸렌 (LDPE) 및 폴리프로필렌 (PP)는 각각 LG화학및 효성에서 공급받았으며, 각각의 용융지수는 24g/10분 및 1.7g/10분이다. 한편, 본 발명에서 천연충전재 및 생분해성 고분자 계면 결합 개선을 위한 결합제는 BASF에서 구입한 MDI(4,4'-Methylene diphenyl diisocyanate)가 채용되었다 (화학식 1).

본 발명에서 천연충전재로는 CJ에서 공급받은 원두커피를 내리고 남은 커피부산물을 건조시켜서 사용하였으며, 종래 사용되던 천연충전재와 비교하기 위해서 한양소재에서 공급받은 대나무 분말 (대조군)을 사용하여 바이오복합재료를 다음과 같은 방식으로 제조하였다.

2. 제조방법

2-1) 커피부산물 및 대나무분말 (대조) 각각을 105℃에서 24시간 건조하여 함수율이 1~3%가 되도록 처리한 후, 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder)를 이용하여 1.에서 언급된 폴리락트산 고분자 분말과 혼합한 후 결합재를 첨가하여 펠렛 형태의 샘플을 제작하였다. 표 1에는 바이오복합재의 혼합비율이 정리된다. 상기 펠렛을 주입 성형기를 이용하여 시편을 제작한 후 이에 대하여 물성 실험이 수행되었다

실험예

1. 인장강도 및 굴곡강도 측정

제작 시편 인장강도를 측정하기 위해 ASTM D638-03에 의거하여 유니버셜 테스트 기구(Universal testing machine, Zwick Co.)을 사용하여 측정하였다. 이때 인장속도는 5mm/분으로 23±2℃에서 측정하였으며 5개 시편 평균값으로 인장강도 값을 산출하였다. 한편, 굴곡강도는 ASTM D 790-07에 의거하여 universal testing machine (Zwick Co.)을 사용하여 측정하였다. 측정조건은 인장강도와 동일한 5 mm/분으로 23±2℃에서 측정하였으며 5개 시편 평균값으로 굴곡강도를 산출하였다.

2. VOC 방산 특성 측정

TVOCs(Total Volatile Organic Compounds) 방산량 평가를 위해 도 1에 도시된 열추출기(Thermal Extractor, TE)를 이용하여 복합재료에서 방산되는 유해물질을 평가하였다.

도 2는 PLA 함량에 따른 바이오복합재료 인장강도 감소율을 나타낸 그래프이다. 순수하게 PLA로만 이루어진 복합재료 인장강도는 60.1 MPa이나, 대나무분말이 10%부터 40%까지 함유량이 증가할수록 48 MPa부터 27.5 MPa까지 강도 감소율이 나타났다. 본 발명에 의한 커피부산물이 이용된 경우에도 유사한 결과를 얻었다. 한편 대나무분말이 커피부산물보다 인장강도가 약간 높게 나타나며 이러한 차이는 커피부산물이 가지는 화학적 조성차이 때문이라 판단된다. 결합제로 MDI를 이용한 결과 생분해성 고분자 및 천연섬유간의 결합력은 다양한 분야에서 수용가능한 범위로 증가되었다 (도 3 참조). 따라서 본 발명에서 시도된 커피부산물 폐기물을 이용한 바이오복합재료는 고가의 대나무분말을 대체하기에 적합한 대체 원료라고 판단된다.

바이오복합재 굴곡강도는 인장강도의 경우와 거의 유사한 경향을 보인다. 도 4에 의하면 PLA 굴곡강도는 106 MPa이나, PLA/CG의 경우 천연섬유의 비율이 증가할수록 80 MPa에서 42.3 MPa까지 감소되는 결과를 확인할 수 있다. 대나무분말도 역시 커피부산물과 거의 비슷한 굴곡강도를 보인다. 천연섬유의 비율이 증가할수록 강도가 감소하는 것은 천연섬유와 고분자 사이 특성 차이 때문이다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 MDI를 첨가한 경우 전체적으로 강도가 증가하여 수용 가능한 강도를 회복하였다. 또한, 본 발명에 의한 커피부산물 적용 바이오복합재료는 기타 천연섬유 분말과 대비하여 높은 연신율을 보였다. 이는 커피부산물이 포함하는 22.5 ~ 28.3 %의 오일화합물이 고분자와 결합하여 연신율을 증가시킨 것으로 판단된다 (도 6 참조).

상기된 바와 같이, 본 발명은 흡착제로써 재생 대나무 숯 분말이 적용되었다. VOC 방산 특성 측정 포집 조건은 30℃부터 90℃의 온도 범위에서 진행하였다.

도 7은 재생 대나무 숯 분말을 1%부터 5% 혼합한 PLA/CG 바이오복합재료 VOC 방산을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 재생 대나무 숯 분말 비율이 3 phr 및 5 phr 경우 거의 유사한 결과를 보이므로 3 phr을 최적 혼합 비율이라 판단하고 이를 대조군인 비분해성 고분자인 PP와 LDPE에 적용하여 비교실험을 진행하였다. 순수 비분해성 고분자, 70℃에서 5시간 동안 bake-out처리 (고온 처리), 재생 대나무 숯 분말 (3phr) 혼합 처리 및 베이크-아웃(bake-out)과 동시에 재생 대나무 숯 처리 조건으로 VOC 방산을 측정하였다. LDPE와 PP는 291.86 mg/m2h와 22.26 mg/m2h의 TVOC를 방산하였으나, 재생 대나무 숯이 첨가된 경우 50% 가까운 감소율을 보였다. 더 나아가 bake-out 처리 및 재생 대나무 숯을 함께 처리한 시편 경우 19.34 mg/m2h 와 1.45 mg/m2h의 TVOC 방산율을 나타냈는데 이는 놀랍게도 순수 고분자와 비교할 때 90% 이상의 감소율을 확인할 수 있었다. 이러한 실험적 사실은 또 다른 식품폐기물인 재생 대나무 숯 분말이 커피부산물 적용 바이오복합재료의 흡착제로 활용될 수 있음을 보이는 것이다.

Claims (3)

1. 폴리락트산 생분해성 고분자 분말, 커피부산물 분말 및 결합제 MDI (4,4-Methylene diphenyl diisocyanate)가 혼합 성형되어 제조되는, 폴리락트산 바이오복합재료.
2. 제1항에 있어서, 재생 대나무 숯 분말이 더욱 포함되는 것을 특징으로 하는, 폴리락트산 바이오복합재료.
3. 제1항에 있어서, 폴리락트산 생분해성 고분자 분말 및 커피부산물 분말 혼합 비율은 50~80 중량부 대 50~20 중량부이며, 결합제는 1 내지 5 중량부 혼합되는 것을 특징으로 하는, 폴리락트산 바이오복합재료.

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