KR20140145153A - 생물학적 구성물로 된 생분해성 물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생분해성 물질에 관한 것으로, 하나 이상의 단백질로 된 10~60중량%의 단백질 접착제(1)와, 2~50중량%의 천연섬유(4)와, 2~15중량%의 하나 이상의 흡습 미네랄(7)과, 10~55중량%의 첨가제(5)로 구성되는 물질(10)을 제공하는 것임.

Description

생물학적 구성물로 된 생분해성 물질{ Biodegradable material made of biological components}
본 발명은 생물학적 구성물로 된 생분해성 물질에 관한 것이고, 또한 분해 가능한 물질로 되는 성형물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
미국 특허 제7,387,756호 (Guilbert et al.)는 천연섬유들을 원료로 하는(based) 물질을 제조하는 방법을 개시한다. 상기 천연섬유는 분말상으로 천연 단백질 바인더와 혼합되는 바, 상기 천연섬유는 1~15%의 수분을 포함한다. 포함된 수분은 6~24%로 조정되고, 혼합물은 열압착에 의해 형상화 된다.
미국특허 제6,284,838호 (Novamont SpA)는 리그닌 또는 리그닌 함유 물질과 단백질로 되는 생분해성 조성물을 개시한다. 이 조성물은 그 외의 첨가제를 포함할 수 있다. 리그닌 또는 리그닌 함유 물질은 단백질과 함께 가열되어 녹는다.리그닌함유 물질로서 정제된 나무 조각이 사용될 수 있다. 바람직한 단백질로서 채소 또는 동물 카제인 또는 제라틴이 사용될 수 있다.
미국 특허 제5,360,586호(Wyatt Danny)는 섬유 물질로 되는 분해성 성형물을 제조하는 방법을 개시한다. 섬유성 물질은 50% 이하의 수분을 가지며 바인더 및 기포제와 혼합된다. 상기 혼합물은 압출기에 장입되며 물과 혼합되어 성형물로 압출된다.
독일특허 제 DE　461　775호(Hans Brandt)는 대용 목재 조성물을 개시하는 데 이는 나무보다 가격이 싸고 가벼우며 광택이 좋고 높은 내수성을 가진다. 이러한 조성물을 만들기 위해, 종이를 수산화칼륨 용액에 넣고 끓이고, 또 타닌산과 가성소다를 혼합한다. 상기 kt혼합물은 건조되고 분쇄된다. 그리고 분쇄된 가루는 시멘트,탄산나트륨, 탈크 및 안티몬 화합물과 혼합되고, 또 황화수소 속의 가죽아교 용액이 교반되며 첨가된다. 합성된 조성물은 롤에 의해 시트로 성형되거나 압착되어 성형된다.
독일특허 제 DE　334　183호 (Dr.　Kukula)는 연필 자루를 만들기 위한 대용 목재 조성물을 개시한다. 상기 조성물은 목재섬유를 미네랄과 물에 혼합하여 제조된다. 바인더로서 풀,덱스트린 또는 고무풀이 혼합물에 첨가된다. 상기 조성물은 성형틀에서 가열되지 않고 압축 된다. 예를 들면, 4~5 중량부의 나무나 톱밥에 적은 량의 목재 펄프가 첨가되며 1 중량부의 석면, 규조토 또는 탈크가 혼합될 수 있으며, 또한 뼈아교나 젤라틴 1 중량부가 첨거될 수 있고, 1 중량부의 식물성 고무풀이나 덱스트린이 매우 적은 량의 물과 함께 첨가? 수 있다.
국제공개특허 제WO　2009/079579호(E2E Materials)는 생분해성 포름알데히드 없는 주름 판재, 특히, 콩을 원료로 하는 접착제를 가지는 주름 판재를 개시한다. 주름 판재는 소이 레진 으로 되는 제1판재와 식물섬유로 되는 제2판재로 구성되어 있다. 제1판재는 주름 소자에 한정된다. 식물섬유는 아마, 대마, 모시풀, 사이잘, 황마, 케이폭, 바나나, 파인애플 또는 케나프 파이버로 만들 수 있다. 이러한 섬유들은 직포 또는 부직포일 수 있다. 바람직하게는, 섬유들은 부직포이먀, 예를 들면 폴리락타이드와 같은 자연적 점착제로 접착되어진다. 주름 소자는 부풀린 곡물로 제조되는 것이 바람직하며 특히 밀, 쌀 또는 옥수수를 부풀려 제조하는 것이 바람직하다. 제조 방법의 제1 단계에서, 식물섬유로 만든 제1 판재들에 소이 레진이 스며들게 하여 건조하고 압축 판재로 형성시키고 접착시켜 주름 소자로 형성시킨다. 마지막으로 제2판재가 상기 주름 소자에 접착된다. 소이 레진은 추가적으로 폴리사카라이드, 특히, 아가르, 겔란 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
국제공개특허 제WO　2004/029135호 (K.U.　Leuven)는 글루텐을 원료로 하는 바이오폴리머와 글루텐으로 도포된 섬유들로 된 조성물을 개시한다. 상기 조성물은 글루텐을 특히 티올 그룹을 포함하는 분자들에 혼합하여 제조된다. 이러한 목적을 위한 글루텐은 바람직하게는 수용액에 상기 분자들과 함께 분산된다. 나아가, 섬유들은 글루텐으로 피복될 수 있고 또 합성물로 형성될 수 있다. 섬유들은 합성섬유나 천연섬유일 수 있다. 특별한 경우, 글루텐 네트워크가 섬유 주위에 형성된다. 합성섬유들이 다이캐스팅 방법으로 압축될 수 있다. 여기에서 셀루로스 섬유들이 상기 섬유로 사용될 수 있으며, 밀짚, 꼬투리, 껍데기 또는 과실들이 사용될 수 있다. 단백질 접착제 존재하에서 큐어링하는 데에 시간이 걸리므로, 알려진 물질들을 사용하는 것이 불리하고, 이러한 물질들로 만들어진 성형 부분들은 기계적으로 안정성이 적다. 또한, 이러한 물질들은 사용되는 모든 물질들이 분해되어 환경적으로 용인될 수 있는 것이 아니므로 쓰레기로 처분된다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같이, 본 발명의 물질로부터 성형된 성형물이 가능한 빨리 기계적 안정성을 갖게 하기 위하여 종래의 기술에 의한 물질에 비하여 보다 신속하게 큐어링되는 물질을 제공하는 것이며, 본 발명의 물질은 완전히 분해될 수 있는 것이다.
상기의 목적은 청구항 1에 의하여 달성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 물질은 적어도 하나의 단백질로 구성되는 10-60중량퍼센트 단백질접착제를 포함한다. 상기 분해성 물질은 추가적으로 2-50 중량%의 천연섬유, 2-15 중량%의 적어도 하나의 흡습 미네랄 및 10-55 중량%의 물을 포함한다. 추가적으로, 본 물질에 첨가제가 0-50 중량% 추가될 수 있다.
본 발명에 따른 물질은 “분해성”이다. 본 발명에 있어서, 상기의 특성은 본 발명의 물질이 생물학적 과정을 통하여 완전히 분해될 수 있음을 의미한다.
본 발명의 “단백질 접착제”는 큐어링(curing) 과정을 통하여 3차원의 네트워크 구조를 형성하는 단백질 솔루션(protein solution)을 의미한다. 상기 큐어링(curing) 과정은 가역적인 것이 바람직하며, 특히 물을 추가하거나 추가적인 가열에 의해 가역적인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 단백질 접착제는 하나의 단백질 또는 하나의 단백질 클래스(class)로 구성되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 상기 단백질 접착제는 다수의 다른 단백질 또는 다른 단백질 클래스들로 구성될 수 있다.
본발명의 물질은 10-60 중량%, 바람직하게는 30-50 중량%, 더욱 바람직하게는 40-45 중량%의 단백질 접착제를 포함한다.
본 발명의 물질은 2-50 중량%, 바람직하게는 5-35 중량%, 더욱 바람직하게는 7-20 중량%의 천연섬유를 포함한다.
추가적으로, 2-15 중량%, 바람직하게는 5-12 중량%, 더욱 바람직하게는 7-10 중량%의 적어도 하나의 흡습 미네랄과 10-55 중량%, 바람직하게는 20-50 중량%, 더욱 바람직하게는 35-45 중량%의 물이 본 발명의 분해성 물질에 포함된다. 상기 흡습 미네랄은 파우더 형태로 존재하는 것이 바람직하다.
추가적으로, 본 발명의 물질은 0-50 중량%, 바람직하게는 10-40 중량%, 더욱 바람직하게는 20-30 중량%의 첨가제를 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 본 발명의 물질에 필수적으로 포함되어야 하는 것은 아니다. 본 발명의 물질은 상술한 기술적 과제를 첨가제 없이 달성할 수 있다.
흡습 미네랄을 추가함으로써, 본 발명의 물질에 존재하는 물은 흡습 미네랄의 결정화에 사용되며, 이 결과로 단백질 접착제의 큐어링 속도(curing rate)가 증가한다. 추가적으로, 상기 흡습 미네랄은 물에 바인드될 수 있으며, 물질로부터 생산된 성형물이 단백질 접착제의 큐어링이 완료되기 전에도 신속하게 양호한 기계적 안정성을 갖도록 이끌어준다.
본 발명의 물질의 중요한 특성은 뜨거운 물에서 완전히 녹는다는 점이다. 본 발명의 물질이 순수한 자연물질임에 따라, 녹은 수용액은 환경오염의 문제가 없으며, 식물의 비료로서 사욜할 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 물질로부터 성형된 성형물은 폐기를 위하여 태워질 수 있으며, 원료물질의 재활용에 의해 가성적인 CO2 균형을 이룰 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 물질은, 사용 후, 비료(compost)로서 사용될 수 있다.
상기 분해성 물질은 액체이기 때문에 매우 용이하게 성형물을 성형할 수 있으며, 예로서 프레스 또는 압출(extrusion)을 적용할 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 물질은 3차원 프린터의 기재로 사용될 수도 있다.
흡습 미네랄은 알루미늄 하이드록사이드, 벤토나이트, 칼슘설페이트(calcium sulfate), 칼슘클로라이드, 칼슘카보네이트, 칼슘옥사이드, 칼슘하이드록사이드, 칼슘알루미네이트, 칼슘실리케이트, 포타슘실리케이트, 포타슘카보네이트, 실리카, 리튬실리케이트, 마그네슘설페이트, 마그네슘카보네이트, 마그네슘크로라이드, 마그네슘하이드로겐설페이트, 마그네슘실리케이트, 소듐설페이트, 소듐아세테이트, 소듐하이드로겐설페이트, 펜타소듐트리포스페이트, 세피오라이트(sepiolite), 실리카겔(실릭아시드겔(silicic acid gel)), 실리콘다이옥사이드e, 제올라이트 중 선택되는 하나의 물질이 선택된다. 또한, 상기 흡습 미네랄은 상기 물질들 중 적어도 두 개 이상의 물질의 혼합물이 적용될 수도 있다.
칼슘설페이트는 상용의 석고가루 형태로 적용하는 것이 바람직하며, 리튬, 소듐 및 포타슘실리케이트는 무정형의 “워터글래스”로 적용하는 것이 바람직하다. 제올라이트는, 특히 분자체(molecular sieves)로서 적용하는 것이 바람직하며, 상기 제올라이트의 기공크기(pore size)는 3옹스트롬(Å)인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 단백질 접착제는 글루틴, 놀라겐, 알지네이트, 알부민, 젤라틴, 콘드린, 아갈-아갈(agar-agar), 잔탄 또는 이들의 혼합물로 구성된다. 글루틴으로 구성된 단백질 접착제는 동물의 뼈, 연골 또는 가죽으로부터 용이하게 얻을 수 있다. 콜라겐 접착제로서, 음식산업에서 많은 양을 얻을 수 있는 젤라틴이 사용될 수 있다. 본 발명의 물질로서 알지네이트(Alginates)가 알긴산의 분체염(pulverulent salt)으로서 사용될 수 있으며, 예로서 소듐알지네이트, 포타슘알지네이트, 암모늄알지네이트 또는 칼슘 알지이트가 적용될 수 있다
또한, 단백질접착제에 부가하여, 리그닌설포네이트, 리그닌, 글루코오스 또는 덱스트린이 바인더로서 적용될 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 물질에 다른 단백질접착제가 적용 가능하며, 예로서, 피브린접착제 또는 홍합(mussels)으로부터 얻는 단백질접착제를 적용할 수 있다. 그러나, 이러한 단백질 접착제는 소량만이 필요하고, 고가이기 때문에 본 발명의 물질에 포함시키는 것은 경제적이지 못하다.
뼈접착제, 가죽접착제, 토끼피부접착제(rabbit-skin glue) 또는 생선 접착제를 단백질접착제로서 적용하는 것이 바람직하다. 이러한 접착제들는 용이하게 구할 수 있으며 많은 양을 저렴하게 구할 수 있다. 더욱이, 상기의 단백질 접착제를 사용함에 따라, 그들의 상대적으로 낮은 녹는 점에 의하여, 본 발명의 물질은 생산 및 적용에 있어서 고온으로 가열할 필요가 없다,
천연섬유가 첨가되는 것이 바람직하며, 천연섬유는 예로서 목재섬유, 곡물섬유, 견과껍질섬유, 풀섬유(grass fiber), 콘밀(cornmeal), 셀률로스섬유, 셀률로스플레이크 또는 이들의 혼합물이 적용될 수 있다.
상기와 같은 천연섬유는 농업, 임업 및 제지업에서 부산물로 얻을 수 있다. 특히, 연질목재섬유를 적용하는 것이 바람직하다. 상기 천연섬유들은 본 발명의 물질에 의해 생산된 성형물에 따라 다른 사이즈를 가질 수 있다. 적용되는 천연섬유는 0.05-50mm의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 선택적으로, 상기 천연섬유는 파우더 형태일 수 있으며, 예로서, 0.01-0.5mm 인 입자크기를 가질 수 있다. 이러한 형태의 파우더는 예로서 천연섬유를 그라인딩하여 얻을 수 있다. 상기 천연섬유는 큐어된(cured) 물질이 요구되는 기계적 강도를 갖게 해주며, 이는 의자나 테이블에 적용할 수 있는 상대적으로 큰 부하를 견딜 수 있게 해준다.
상기 섬유들은 자연적으로 존재하는 상태 또는 화학적으로 가공된 상태로 적용될 수 있다. 예로서, 셀률로스섬유는 본 발명의 물질에 적용되기 이전에 메틸레이션, 설포네이션, 나이트레이션, 아세틸레이션 등의 화학가공될 수 있다.
원칙적으로, 본 발명에 따른 물질은 모든 형태의 식물 섬유가 사용될 수 있으며, 예로서 대나무섬유, 삼(hemp) 섬유, 왕겨(rice husk)섬유 등이 사용될 수 있다.
흡습미네랄로서, 칼슘설페이트, 마그네슘설페이트 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 흡습미네랄은 파우더의 형태로 적용되는 것이 바람직하다. 칼슘설페이트는 상업적으로 구매가능한 석고가루를 사용하는 것이 바람직하다.칼슘설페이트와 마그네슘설페이트 둘 다 매우 높은 흡습성을 가지며 물질내의 물을 결정화시켜 바인딩한다.
이는 물질 내의 바인드되지 않은 물의 양을 줄여주며, 이에 따라 단백질 접착제의 큐어링 시간이 단축된다. 칼슘설페이트는 물질에 존재하는 물을 추가적으로 바인드하여 구조의 기계적 안정성을 제공함으로써 물질에 의해 성형된 성형물의 안정성을 향상시킨다. 상기 흡습미네랄의 유리한 작용은 물질에 존재하는 여분의 물을 바인드하는 것에 기인한다. 그러므로, 당업자에게 있어서 상기 흡습미네랄은 물질을 제조할 때에 물을 멀리해야 함은 자명하다. 이에 따라, 칼슘설페이트는 무수물(anhydrite)로서 사용되며, 무수마그네슘설페이트(water-free magnesium sulfate) 또는 마그네슘설페이트모노하이드레이트가 사용되는 것이 바람직하다.
흡습미네랄의 다른 이점은 결정화된 물의 발열(exothermy)에 있다. 열에너지가 방출되면 단백질접착제의 큐어링이 가속화되고, 이는 물질이 더욱 빨리 고체화되게 한다.
첨가제는 1-10중량% , 바람직하게는 2-8중량%의 적어도 하나의 생분해성 유화제(plasticizer)를 포함한다. 상기 생분해성 유화제는 글리세롤, 우레아, 트리에틸시트레이트, 솔비톨, 잔탄 또는 알킬사이트레이트인 것이 바람직하다. 유화제를 추가함으로써 물질의 경도(brittleness)를 조절할 수 있다. 예로서, 물질에 의해 성형된 성형물의 탄성(elasticity)이 조절될 수 있다.
선택적으로, 고분자산업에서 알려진 상용의 유화제들도 사용될 수 있다. 그러나 상기 유화제들은 생태학적으로 무해하다.
상기 첨가제는 0.1-10중량%, 바람직하게는 3-6중량%의 하나 이상의 생분해성 안정제를 포함할 수 있다. 상기 생분해성 안정제는 리그닌설포네이트, 아마인오일(linseed oil) 또는 아마인오일바니시(linseed oil varnish)인 것이 바람직하다. 안정제를 추가함에 따라, 물질의 유동성(flow propertie)이 개선될 수 있다. 리그닌설포네이트는 단백질접착제의 단백질과 반응하며, 아마인오일과 아마인오일바니시는 산화에 의해 큐어링된다. 두 반응 모두 물질의 기계적 안정성을 향상시킨다. 추가적으로, 두 반응 모두 물질을 습기로부터 보호해주며, 부수적인 액체와의 접촉에 따른 손상 또는 물러짐(softening)을 방지해준다.
상기 첨가제는 물에 대한 저항력을 증대시키기 위한 수단으로서 추가적으로 0.1-10 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 물에 대한 저항력을 증대시키기 위한 수단으로, 탄닌, 코리라긴(corilagin), 가니딘(Ganidin), 포타쉬알룸(potash alum), 우레아, 카제인, 페룰릭아시드, 고시폴(gossypol), 술포닉아시드 및 리실옥시다아제, 트랜스글루타미나아제, 락카아제(laccase)와 같은 효소 또는 이들의 혼합물이 물질에 포함될 수 있다. 상기와 같은 수단을 사용함에 따라, 물질에 존재하는 단백질접착제는 추가적으로 크로스링크되며, 이에 따라 큐어링된 물질의 물에 대한 저항성이 증대된다. 추가적인 크로스링크는 단백질 접착제의 단백질의 변성에 기인하며, 또는 효소의 효소작용에 의해 촉진될 수도 있다.
선택적으로, 물에 대한 저항성을 증대시키기 위하여 알루미늄설페이트와 같은 다른 물질이 사용될 수 있다.
생분해성 물질은 아라비아 고무(gum arabic), 매스틱(mastic), 송진(colophony), 산다락(sandarac) 또는 이들의 혼합물인 소수성(hydrophobic) 물질을 포함할 수 있다.
상기 소수성 물질은 바셀린, 테레빈유, 우유, 카제인 또는 밀랍을 포함하는 것이 바람직하다.
큐어링된 물질의 물에 대한 저항성은 소수성 첨가제를 통해 증대되거나 조절될 수 있다. 이에 따라, 물질은 물에 노출되더라도 손상없이 제조될 수 있으나, 뜨거운 물이나 증기에 장시간 노출될 경우 완전히 분해될 수 있게 된다. 이는 플레이트(plate) 또는 접시를 생산하기 위한 물질이 물로 씻어낼 수 있도록 하며, 또는 성형물이 축축한 상태에서 표면이 씻길 수 있도록 한다.
선택적으로, 본 발명의 물질로부터 성형된 성형물의 물에 대한 저항성은 적당한 소수성 코팅 또는 래커칠에 의하여 얻어질 수 있다.
추가적인 구성요소로 적어도 하나의 천연 염료를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 천연염료는 산화철안료(iron oxide pigment)인 것이 바람직하다. 천연염료를 첨가함으로써, 본 발명의 물질에 의해 다른 색으로 염색된 성형물들이 성형과정에서 손상없이 성형될 수 있다. 산화철안료는 노랑(iron oxide yellow; C.I. Pigment Yellow 42), 빨강 (iron oxide red; C.I. Pigment Red 101) 및 검정 (iron oxide black; C.I. Pigment Black 11)이 사용될 수 있다. 추가적으로, 염료로서 산화철을 사용하는 것은 특히 아마인유나 아마인유바니시와 같은 안정제의 산화를 가속화시키며, 본 발명의 물질로부터 성형된 성형물은 보다 신속히 기계적인 안정성을 가질 수 있게 한다.
산화철안료에 부가하여, 다른 염료가 추가될 수 있으며, 예로서 코퍼설페이트, 코퍼아세테이터 또는 코치닐레드(cochineal red(C.I. Acid Red 18))가 필요한 색에 따라 사용될 수 있다.
추가적으로, 색상과 환경적 요소에 따라서 인공색소가 물질에 추가될 수 있으며, 이 경우 분해시 분리되어 처리될 필요가 있다.
첨가제는 적어도 하나의 발포제(foaming agent)를 포함할 수 있으며, 소듐하이드로겐카보네이트가 바람직하다. 발포제를 통하여, 이산화탄소와 같은 기체가 유입될 수 있어 물질의 밀도가 감소될 수 있다. 발포제의 양에 따라, 유입되는 가스의 수가 다양해진다. 유입되는 많은 양의 가스는 물질의 차음성능 또는 단열성능을 향상시켜준다.
달리 선호되는 발포제는 소듐카보네이트데카하이드레이트, 소듐도데실폴리(옥시에틸렌)설포네이트, 암모늄카보네이트 및 포타슘카보네이트 이다.
선택적으로, 상기 물질은 다른 방법으로 발포(foamed)될 수 있으며, 예로서 이산화탄소, 질소 또는 다른 압축가스를 압출공정에서 주입할 수 있다.
첨가제는 적어도 하나의 바이오폴리머를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 적어도 하나의 바이오폴리머는 리그닌, 치틴(chitin), 폴리락틱산(polylactic acid), 카제인, 폴리하이드록시부틸릭산, 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate), 덱스트로스, 덱스트린 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 바이오폴리머를 부가함으로써, 물질의 처리물성인 유동성, 큐어링속도, 포트라이프(potlife) 또는 접착강도가 조절될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 물질로부터 성형되는 성형물의 물성, 예를 들어 탄성, 기계적 강도, 무게 및 내화학성 또한 목적한 대로 조절될 수 있다.
일부 바이오폴리머들은 동시에 소수성 작용을 할 수 있으며, 예로서 송진, 매스틱(mastic) 또는 산다락(sandarac)은 소수성 첨가제 또는 소수성 첨가제의 일부로 사용될 수 있다.
추가적인 첨가제는 미네랄 필러를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 필러는 규회석(wollastonite), 탈크, 산화마그네슘 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
다른 미네랄 필러로서, 운모(mica), 카오린나이트(kaolinite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 칼슘카보네이트 및 펄라이트(perlite) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 미네랄 필러는 본 발명의 물질로부터 성형된 성형물의 수축(shrinkage) 또는 뒤틀림(warping)을 방지해준다. 추가적으로, 미네랄 필러는 내연성을 증진시켜준다. 선택적으로 다른 미네랄 필러들도 사용될 수 있다.
리튬의 실리케이트, 소듐 또는 포타슘 들이 사용되며, 특히 무정형의 워터글래스, 콜로이달실리카 및 리그닌설포네이트는 본 발명의 물질에 대해서 단순한 장점을 가질 뿐 아니라, 유동학적 성질, 물에대한 저항성 및 큐어링 속도를 조절하는 장점도 가진다.
본 발명의 다른 실시예는 분해가능한 물질로 구성되는 성형물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면, 첫째로 상술한 바에 따르는 분해가능한 물질이 액체상으로 주입된다. 이어서, 성형물이 분해가능한 물질로부터 프레싱, 압축몰딩, 압출, 블로우몰딩, 로터리몰딩, 캐스팅, 인젝션몰딩, 진공성형 또는 3차원프린팅에 의해 제조된다. 마지막으로, 상기 성형물이 큐어링된다.
상기 본 발명에 따른 분해가능한 물질은 액체 또는 최소한 유동성있는 상태로 사용된다. 결과적으로, 상기 분해가능한 물질은 요구되는 성형물의 형상으로 될 수 있으며, 큐어링 후, 사용된 천연섬유에 이해 나무와 같은 외형을 갖게 된다. 추가적으로, 본 발명의 분해가능한 물질 3차원프린터의 기재로 사용될 수 있다. 용융-코팅 방법(압출적층방식; Fused Deposition Modeling))의 3차원 프린팅 방법에서, 본 발명의 물질은 액체상으로 사용될 수 있다. 프린터에서 사용될 경우, 멀티-제트 모델링(폴리제트 모델링 역시)에 따라, 본 발명의 물질은 건조되고 파우더로 분말화된다. 상기 파우더는 3차원 프린터 내로 위치되며, 물이 바인더로서 사용된다.
큐어링 과정을 거쳐 성형물이 생성되며, 상기 큐어링 과정은 자외선(UV)을 조사하는 것이 바람직하다. 상기 자외선은 200-280nm, 특히 253nm의 파장을 갖는 것이 바람직하다.
자외선의 조사를 통하여, 단백질 접착제에 존재하는 단백질들이 성형물의 표면에서 변성하고 각각 크로스링크되게 된다. 이에 따라 성형물의 물에 대한 저항력이 추가적으로 증대되게 된다.
본 발명에서 “큐어링”은 본 발명의 분해성 물질에 있어서, 성형틀(상형물)의 생성 이후, 화학적으로 고형화 또는 바인딩 프로세스로 이해되어야 한다. 상기 큐어링은 성형물의 압출, 프레싱, 몰딩 또는 프린팅 직후 실시되며 물질로부터 성형된 성형물이 본질적으로 안정해질 때까지 수행된다. 본 발명의 물질의 경우, 상기 큐어링시간은 일반적으로 2일이 걸리며, 물질에 따라서 한시간 미만이 소요될 수도 있다.
상기 성형물은 추가적으로 큐어링된 물질의 수분함량이 1중량% 미만이 되도록건조되는 것이 바람직하다. 상기 성형물의 수분함량이 0.2중량%가 되도록 추가적으로 건조되는 것이 더욱 바람직하다.
추가적인 건조공정은 큐어링된 물질의 물에대한 저항력을 추가적으로 증대시켜주게 된다. 어떠한 이론에 의해 바인딩되는 경우를 제외할때, 이러한 효과는 감소된 수분함량이 1중량%이면 단백질접착제의 단백질 분자간 아미드결합이 형성되기 때문이며, 단백질의 크로스링크의 정도는 추가적으로 증가하게 된다.
본 발명의 다른 실시예는 콘크리트와 같은 주물 조성물(casting composition)로 3차원 형상을 유도하는 것이다. 이 경우, 주물 조성물(casting composition)이 캐스팅되기 전에, 분해성 물질로 제조되는 상기 3차원 형상의 네거티브카피(negative copy)가 캐스팅몰드 또는 쉘(shell)의 내벽에 적용된다. 특히, 상기 네거티프카피는 캐스팅몰드 또는 쉘의 내벽으로 3차원 프린팅에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
조성물의 캐스팅 및 큐어링 후, 상기 캐스팅몰드 또는 쉘은 제거되고 상기 분해성물질로 제조된 네거티브카피는 뜨거운 물 또는 뜨거운 증기를 가함으로써 분해된다. 특히, 상기 네거티브몰드가 뜨거운 물이나 뜨거운 증기로 분해되는 것이 바람직하다.
이 결과로, 과도한 지출 없이, 복잡한 3차원 형상이 콘크리트벽으로 유도될 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면 콘크리트 벽으로의 언더컷 그루브(undercut grooves) 형상의 유도가 매우 용이하게 구현된다. 분해성 네거티브카피를 전부 제거하기 위하여는, 상기 네거티브카피를 상승된 압력하에서 뜨거운 액체에 노출시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 본 발명의 분해성 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
첫 번째 단계로, 단백질 접착제를 물과 함께 섞어 바인더를 제조한다. 다음 단계로, 상기 천연섬유와 첨가제를 상기 바인더와 함께 교반기(agitator)에서 혼합한다. 상기 교반기는 유성기어장치 교반기(planetary agitator)인 것이 바람직하다. 선택적으로, 콤파운더(compounder)와 같은 다른 교반기가 사용될 수 있다. 최종적으로, 흡습미네랄이 첨가된다.
첨가제의 구성요소가 각각 따로따로 첨가될 수 있다. 그러나, 선택적으로, 첨가제의 모든 구성요소가 먼저 한번에 모두 혼합될 수 있으며, 이 혼합물이 바인더와 천연섬유에 첨가될 수 있다.
바인더를 제조하기 위하여, 상기 단백질 접착제와 물이 혼합전 60-80℃, 바람직하게는 65-70℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 상기의 가열의 결과로, 상기 단백질 접착제는 액체로 되어 물과 혼합되게 된다.
흡습 미네랄을 부가하기 전, 상기 혼합물은 건조되고 파우더로 가공되는 것이 바람직하다. 흡습 미네날의 부가로, 중간생성물이 얻어진다. 상기 중간생성물에 바인더를 제조하기 위하여 사용된 물에 대하여 25~200중량%의 물이 즉시 사용되기 전에 가해진다.
상기 방법은 멀티-제트 모델링 방식의 3차원 프린터에 적용하기 위한 본 발명에 따른 분해성 물질의 제조에 매우 적합하다. 이 경우, 파우더는 프린터 안에서 물과 함께 혼합되며 적합한 기재에 적용된다. 이러한 방법에 따라, 분말상의 중간생성물이 제조될 수 있으며, 많은 양이라도 정해진 비율과 양으로 포장되고 저장될 수 있다. 물질을 성형물로 성형하기 직전 분말상의 중간생성물이 적당한 양의 물과 혼합된다. 중간생성물이 나뉘어지면, 적용할 물의 양이 나뉘어진 양에 따라 조절되어야 한다. 물의 양이 다양하게 부가됨에 따라, 물질의 점도와 농도가 변화될 수 있다.
발명의 살세한 설명과 청구범위의 전체로부터, 본 발명의 유리한 실시예와 특징의 조합으로 본발명을 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 분해성 물질 제조 방법 설명도
도2는 본 발명의 다른 실시예의 제조 방법 설명도
상기 도면에서 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 사용하였다.
도1은 본 발명에 따르는 물질(10)의 제조 방법 설명도이다. 먼저, 단백질 접착제(1)가 물(2)과 섞여 65?~ 70?로 가열되면서,유성기어식 교반기에서 혼하되어 바인더(3) 조성물이 제조된다. 계속 저어지면서, 첫번째 자연 섬유(4)가 바인더(3)에 첨가된다. 이어서, 첨가제와 흡습 미네랄(7)이 가루의 형태로 첨가된다.첨가제(5)로 사용되는 물질은 순차적으로 상기 물질(10)에 첨가되거나, 그렇지 않으면, 모두가 한꺼번에 혼합될 수 있으며, 그리하여 혼합물은 상기 물질(10)에 첨가된다.분해성 물질(10)은 위와 같이 하여 얻어지고, 사용단계(11)에 따라, 압축, 압출, 블로우 몰딩, 로타리 몰딩, 주조, 사출 성형 및 진공 성형 등의 방법으로 성형물이 제조된다.
도2는 분해성 물질(10)을 제조하는 다른 실시예를 보여 준다.
단백질 접착제(1)와 물(2)은 65?~ 70?로 가열되면서,유성기어식 교반기에서 혼합되어 바인더(3) 조성물이 제조된다. 천연섬유(4)와 첨가제(5)가 첨가된다. 이어지는 건조 및 분쇄 단계(6)에서, 혼합물은 건조되고 약 0.05mm의 크기의 알갱이로 분쇄된다. 분쇄는 분쇄기로 수행된다. 흡습 미네랄이 가루에 첨가된다. 합성 중간 생성물(8)이 비교적 긴 시간 저장된다. 중간생성물(8)은 나중의 사용을 위해 덜어내어 포장될 수 있다. 사용하기 직전, 물(9)이 중간 생성물(8)에 혼합되는데, 혼합되는 물의 량은 바인더의 제조에 사용되는 물(2)의 양의 25~200 중량%이다. 위와 같이 하여 얻어진 분해성 물질(10)은 다음의 사용단계(11)에서, 예를 들면, 3D프린터에 의하여 성형물의 형태로 제조된다.
실시예1
제1 실시예에서, 30g의 물과 38g의 접착제(래빗스킨글루)를 혼합하고 65?로 가열하여 바인더를 얻었다.
이 바인더에 17g의 0.3mm~1mm의 크기를 가지는 침엽수 섬유를 혼합하고, 또, 7g의 글리세롤을 혼합하였다.
위의 혼합물을 스크류펌프의 호퍼에 넣고, 8g의 석고 가루를 이송되는 상기 혼합물에 전방 호퍼를 통하여 계속적으로 투여하였다.
상기 물질이 2mm 직경의 압출 다이를 통하여 약 6 바아의 압력으로 막대 모양으로 압출되었다. 압출된 물질은 이어서 예를 들면 프레싱으로 가공된다.
적절한 압출 다이를 사용하면, 압출물은 압출 다이의 단면 형상에 따라 다양한 단면 형상을 가지며, 압출물은 큐어링 전후에 칼이나 톱으로 필요한 길이로 절단된다.
실시예2
실시예2에서, 36g의 접착제(래빗스킨글루)가 28g의 끓는 물에 넣어 저어져 바인더를 제조한다.
상기의 바인더에는 7g의 글리세롤, 0.7mm~3.5mm길이를 가지는15g의 침엽수 섬유, 색을 내기 위한 0.6g의 금속 산화물 가루 및 7.5g의 석고 가루가 첨가되며, 유성기어식의 교반기로 충분히 교반한다. 상기 물질을사용하기 직전 5g의 아마인유 바니시를 첨가한다. 상기 물질을 형틀에 넣고 20분간 2Kg/cm2 된의 압력으로 압축하여 성형틀을 만든다.
실시예3
실시예 3에서, 26g의 물을 33g의 접착제(래빗스킨글루)에 혼합하고, 30분 경과한 후, 바인더를 제조하기 위하여 70℃로 가열한다. 그리고, 33g의 견과류껍질 입자(그래뉼)을 첨가하며, 유성기어식 교반기로 충분히 교반한다.위와 같이 하여 얻어진 조성물은 건조되고 평균 입자 크기가 약 0.05mm인 가루가 되도록 분쇄기에서 분쇄된다. 8g의 석고 가루를 첨가하여 저장할 수 있는 중간 생성물을 얻는다. 이러한 중간 생성물은 3D프린터(ZPrinterⓒ150 from 3DSystems)에 기질로 충전되어, 멀티-젯 형틀 방법에 의하여 형틀이 제조된다. 이때, 26g의 물이 바인더로 사용된다.
실시예4
향상된 방수성을 가지는 분해성 물질은 아래와 같은 제4 실시예에 의하여 얻을 수 있다.
바인더를 마련하기 위하여, 21g의 글루틴 풀을 21g의 물에 혼합하고 65℃-70℃의 온도로 가열한다. 그리고, 2g의 명반을 상기 바인더에 혼합한다. 첨가제로서, 0.7~1.2mm의 길이를 가지는10g의 천연 목재 섬유를 첨가한다. 실시예1~3의 물질들에 비하면, 이 실시예의 물질은 향상된 내수성을 가진다.
실시예5
제5실시예에서, 21g의 글루텐 풀이 21g의 물에 혼합되고 65℃-70℃의 온도로 가열되며, 그 후에 풀(paste)을 만들기 위하여 에타놀에 분산된 3g의 다마르(dammar)가 첨가하여 교반한다. 첨가제로서 0.7~1.2mm 길이를 가지는 10g의 천연 섬유가 첨거된다. 실시예1 내지 3의 물질에 비하여 본 실시예의 물질은 내수성이 증가되었다
실시예6
실시예6에서, 21g의 글루텐 풀이 21g의 물에 혼합되고 65℃-70℃의 온도로 가열되며, 첨가제로서 0.7~1.2mm의 길이를 가지는 10g의 천연섬유가 첨가된다. 그리고, 상기 용액에 8g의 실리콘 디옥사이드가 첨가된다. 상기 실시예 1~5의 물질에 비하여 본 시시예의 물질은 보다 빠른 큐어링 타임을 갖는다.
실시예7
실시예7에서, 21g의 글루텐 풀이 21g의 물에 혼합되고 65℃-70℃의 온도로 가열되며, 첨가제로서 0.7~1.2mm의 길이를 가지는 10g의 천연섬유가 첨가된다. 그리고, 상기 혼합물에 5g의 퍼라이트가 충전제로 첨가된다. 이 실시예의 물질은 상기 1~6의 실시예의 물질에 비하여 수축성이 향성되었다.

Claims (16)

  1. 하나 이상의 단백질로 만들어진 10~60 중량%의 단백질접착제(1)와,
    2~50중량%의 천연 섬유(4)와,
    2~15중량%의 하나 이상의 흡습 미네랄(7)과,
    10~55 중량%의 물(2)과
    0~50중량%의 첨가제(5)로 구성되는 생물학적 구성 성분으로 만들어진 분해성 물질.
  2. 제 1항에 있어서, 단백질 접착제(1)는 글루틴, 콜라겐, 알긴산염류, 알부민, 칸드린(연골질),한천(agar-agar), 잔탄(Xantan), 또는 이들의 혼합물을 포함하는 생물학적 구성 성분으로 만들어진 분해성 물질.
  3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 하나의 항에 있어서, 천연 섬유는 나무섬유, 곡물류 섬유,견과껍질섬유,그래스 파이버, 옥수수가루(cornmeal), 셀루로즈 파이버(cellulose fibers),셀루로즈 플레이크(cellulose flakes) Ehsms 이들의 혼합물이며, 특히 바람직하기로는, 침엽수 섬유인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 흡습미네랄(7)은 황산칼슘, 산화칼슘, 황산마그네슘, 제오라이트 또는 이들의 혼합물이며, 바람직하기로는 분말 상태인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 하나의 항에 있어서, 첨가제(5)는 1~10 중량% 바람직하기로는 2~8중량%의 하나 이상의 생분해성 가소제로 되고, 상기 가소제는 그리세롤, 우레아, 트리에틸, 사이트레이트, 솔비톨, 잔탄 또는 알킬 사이트레이트인 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 첨가제(5)는 하나 이상의 생분해성 안정제를 0.1~10중량% 바람직하기로는 3~6%를 포함하되, 상기 안정제는 리그닌 술폰산염, 아마인유 또는 아마인유 바니시인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 하나의 항에 있어서, 첨가제(5)는 0.1~10 중량%의 방수제를 포함하고, 상기 방수제는 탄닌(tannin), 코리라긴(corilagin), 포타시 아룸(potash alum), 가니딘(Ganidin),우레아(urea), 카제인(casein), 페루릭 산(ferulic acid), 가시폴(gossypol), 리실 옥시다제(lysyl oxidase)와 같은 효소, 트랜스그루타미나제(transglutaminase), 라카제(laccase) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 첨가제(5)는 0.1~10 중량%의 하나 이상의 소수성 물질(hydrophobic component)로 되고 소수성물질은, 특히, 아라비아고무, 마스틱(mastic),송진(colophony), 샌드락(sandarac) 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 첨가제는 하나 이상의 생물 고분자 물질(biopolymer) 바람직하게는 리그닌(lignin), 치틴(chitin), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 더모플라스틱 스타치(thermoplastic starch), 셀루로즈 아세테이트(cellulose acetate), 폴리락틱산(polylactic acid), 카제인(casein), 폴리하이드록시부틸산(polyhydroxybutyric acid), 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate), 셀루로즈 하이드레이트(cellulose hydrate), 셀루로즈 아세테이트(cellulose acetate), 셀루로즈 아세토부틸레이트(cellulose acetobutyrate), 덱트로즈(dextrose), 덱스트린(dextrin) 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 첨가제는 미네랄 필러(mineral filler) 특히, 규회석(wollastonite), 탈크(talc),산화 마그네슘(magnesium oxide) 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 분해성 물질.
  11. a) 청구항 1 내지 10항 중 어느 하나의 항의 분해성 물질을 마련하는 단계
    b) 상기 분해성 물질을 프레싱, 압출, 블로우 성형, 회전 금형 성형, 주조(casting), 사출 금형에 의한 성형, 진공 금형 성형 또는 3D 프린팅으로 하나 이상의 성형물로 생산하는 단계
    c) 성형물을 큐어링(curing)하는 단계
    로 구성됨을 특징으로 하는 하나 이상의 성형물을 제조하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 성형물을 큐어링하는 동안 또는 큐어링한 후에, 성형물이 추가적으로 200nm~280nm의 파장 바람직하게는 253nm의 파장을 가지는 자외선으로 조사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 성형물은 큐어링 후에 성형물이 1중량% 이하 특히 0.2 중량% 이하의 수분 함량을 가지도록 추가적으로 건조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. a) 청구항1 내지 청구항10의 분해성 물질(10)로 된 삼차원 형상의 네가티브 카피를 주형이나 셀(shell)의 벽체 내에 설치하는 단계
    b)주형이나 셸 속으로 주물을 넣고 주물을 큐어링하는 단계
    c) 주형이나 셸을 제거하는 단계
    d) 뜨거운 물이나 수증기로 분해성 물질(10)로 된 네가티브 카피를 파괴시키는 단계
    로 되는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상물을 주조물 바람직하게는 콘크리트로 넣기 위한 방법.
  15. a) 단백질 접착제(1)와 물(2)을 혼합하여 바인더(3)를 제조하는 단계
    b) 교반기에서 바람직하게는 유성기어장치 교반기에서 천영섬유(4)와 첨가제(5)를 바인더(3)에 혼합하는 단계,
    c) 흡습미네랄(7)을 첨가하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는
    청구항1 내지 청구항10 중 어느 하나의 항에 있어서의 분해성 물질을 제조하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    흡습미네랄(7)을 첨가하기 전에, 혼합물이 분말로 되기 위해 건조되고 분쇄되며, 흡습미네랄(7)을 첨가함으로서, 조해되는 중간 생성물(8)이 얻어지고, 거기에, 사용하기 직전이 아니라, 바인더를 제조하기 위해 사용된 물(2)의 25~200중량%의 물(9)이 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
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