KR20150111822A - 바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법 - Google Patents

바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20150111822A
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Abstract

본 발명은 바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 초본계 폐기물의 사용 함량을 높인 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기를 제조할 수 있다. 초본계 폐기물의 함량을 높여 바이오 매스를 제조하더라도 자연분해 효과가 우수한 생활 용기를 제조 가능하다.

Description

바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법{AN ECO-FRIENDLY LIVING VESSEL USING BIOMASS AND A MEHTOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 및 환경 문제가 심화되면서 화석연료를 대체할 수 있는 바이오매스(Biomass)에 대한 관심이 급부상하고 있다. 또한, 지구 환경 문제의 심각성으로 인해 온실 효과 가스의 삭감이나, 장래적으로 예측되고 있는 화석연료의 고갈을 파악하고, 일차 에너지 자원의 확보와 깨끗하고 재생가능한 에너지의 개발이 급선무되고 있는 실정이다.
최근 바이오매스 플라스틱은 옥수수 등 식물로부터 유래하는 소위 바이오매스를 25% 이상 함유하는 플라스틱을 말하는데 대기 중의 탄소가 광합성에 의해 고정된 식물자원을 원료로 사용함으로써 대기 중의 이산화탄소의 농도가 증가되는 것을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되기 때문에 친환경적인 자연 분해성 소재로 최근 주목을 받고 있다.
이중 옥수수대는 옥수수대 내측에 있는 수수깡같은 옥수수심 부분을 제외한 바깥쪽 부분을 이루는 바이오매스 중 하나이다. 옥수수심과 달리 섬유소 함량이 많고, 저렴한 가격에 구매를 할 수 있고, 가공중 탄화현상을 줄이기가 용이하고, 분해 효과가 우수한 장점이 있다. 하지만, 옥수수대 또한 다른 식물체 분말과 마찬가지로 사출성형품 제조시 흐름성이 나빠 옥수수대 함량이 5%를 초과하기 힘들었다. 따라서, 사출성형에 사용되는 자연분해성 옥수수대 바이오매스 펠릿을 이용한 친환경 사출성형품에 옥수수대의 함량을 높이고, 옥수수대 분말을 다량으로 사용하기 위한 효과적인 방법 개발이 요청되어 있다.
또한, 한국 공개 특허 10-214-0119907호는 바이오매스를 이용한 고체 연료인 펠릿의 제조 방법에 관한 것이다. 다만, 상기 특허의 경우는 고체 연료로 사용하기 위한 것으로 실생활에 사용가능한 생활 용기의 소재에 활용 가능성은 떨어지는 문제가 존재하였다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해, 옥수수대 분말과 같은 초본계 폐기물을 다량 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기를 제공하는 것이다.
또한, 초본계 폐기물을 활용한 바이오매스를 실생활에 사용할 수 있는 생활 용기 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 100 내지 350 메쉬 이하의 미립자로 분쇄한 초본계 폐기물, 파라핀, 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘, 코팅제, 상용화제, 플라스틱용 활제 및 플라스틱 분해용 산화제를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원에 기재된 다양한 구체예가 도면을 참조로 기재된다. 하기 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 위해서, 다양한 특이적 상세사항, 예컨대, 특이적 형태, 조성물, 및 공정 등이 기재되어 있다. 그러나, 특정의 구체예는 이들 특이적 상세 사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 공지된 방법 및 형태와 함께 실행될 수 있다. 다른 예에서, 공지된 공정 및 제조 기술은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않게 하기 위해서, 특정의 상세사항으로 기재되지 않는다. "한 가지 구체예" 또는 "구체예"에 대한 본 명세서 전체를 통한 참조는 구체예와 결부되어 기재된 특별한 특징, 형태, 조성 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 구체예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 위치에서 표현 "한 가지 구체예에서" 또는 "구체예"의 상황은 반드시 본 발명의 동일한 구체예를 나타내지는 않는다. 추가로, 특별한 특징, 형태, 조성, 또는 특성은 하나 이상의 구체예에서 어떠한 적합한 방법으로 조합될 수 있다.
본 발명에서 파라핀이란 CnH2n+2(n≥19)의 화학식으로 표현되는 알케인 탄화수소를 의미하는 것이다. 물에 녹지 않으나, 에테르나 벤젠, 에스터에는 녹는 성질을 가지고 있다. 파라핀은 20 또는 40의 탄소 분자로 이루어진 탄화수소 분자의 화합물을 의미한다.
본 발명에서 합성수지란 화학적인 합성에 의하여 인공적으로 만들어진 수지를 의미한다. 일반적으로 가소성을 갖는다. 열에 의해서 연화용융시켜 성형되는 열가소성 또는 열에 의해서 성형경화시킨 내열성의 열경화성이 있다. 전자로는 비닐수지, 폴리스틸렌 수지, 아크릴 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌 수지 등이 있으며 일반적으로 이들 합성 수지를 가열용융해 섬유상으로 성형시킨 것을 의미한다.
본 발명에서 상용화제란 고분자의 물성을 개질하는 방법인 공중합 대신, 서로 다른 고분자를 물리적으로 혼합하는 고분자 블렌드(blend)시 상용성이 없을 경우, 그래프트(graft) 또는 블락(block) 공중합체를 이용하여 블렌드(blend)의 상용성을 증대시킬 수 있는데, 이를 의미한다.
일 구체예에서, 100 내지 350 메쉬 이하의 미립자로 분쇄한 초본계 폐기물, 파라핀, 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘, 상용화제, 코팅제, 플라스틱용 활제 및 플라스틱 분해용 산화제를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 자연분해성 바이오매스는 ES0(Epoxidized Soybean Oil) 및 유기실란의 4:1 내지 2.5:1의 비율로 혼합한 코팅제를 추가로 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기에 관한 것이다.
일 구체예에서, 상기 초본계 폐기물 20 내지 30 중량%, 파라핀 5 내지 8 중량%, 합성수지 25 내지 45중량%, 초산 5 내지 8 중량%, 녹말 17 내지 22중량%, 탄산칼슘 4.5 내지 7.5 중량%, 상용화제 2 내지 5중량%, 코팅제 2 내지 5 중량%, 플라스틱용 활제 0.1 내지 0.5 중량% 및 플라스틱 분해용 산화제 0.1 내지 0.5 중량%에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 초본계 폐기물은 볏집, 옥수수대, 보리대 및 억새로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 합성수지는 폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 이들의 공중합체 등의 폴리올레핀류, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이 및 이들의 공중합체 등의 폴리에스테르류, 나일론 및 이들의 공중합체 등의 폴리아미드류(PA), 폴리 아세탈, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르에테르케톤 및 이들의 공중합체 등의 폴리에테르류, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리초산비닐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐아세탈, 폴리스탈렌, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 이들의 공중합체 등의 폴리비닐류 등에서 선택된 어느 하나 이상의 것이 바람직하나, 상기 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 합성수지는 전체 100 중량%에 대하여 25 내지 45 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 25 중량% 미만으로 사용될 경우에는 분산 및 사용성이 급격히 떨어져 제품으로 사용하기 어렵고, 45 중량%를 초과한 양으로 사용될 경우에는 수지의 함량이 과다하게 함유되어 경제성이 떨어진다. 제품 상태의 충분한 강도를 유지하기 위해서는 조성물의 전체 100 중량%에 대하여 30 내지 40 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 상용화제(compatibilizer)는 비극성인 상기 합성수지와 극성인 초본계 폐기물간의 이형성을 제거하여 상용성을 부여하는 물질로서, 그 예로는 글리시딜메타크릴레이트, 에틸렌비닐알콜(EVA), 폴리비닐알코올(PVA), 에틸렌비닐아세테이트, 및 부틸아크릴레이트 공중합체(EBA) 등을 포함하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 상품으로, EBA-MA-G, ADPOLY PH-200, EM-200 및 SMS-554 등이 있다. 상기 상용화제는 본 발명의 총 중량%에 대하여 2 내지 5 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 2 중량% 미만의 양으로 사용될 경우 상용성이 충분하지 못하여 층간 분리현상이 발생할 수 있으며, 5 중량%의 양을 초과하여 사용할 경우 경제적인 효과를 얻을 수 없다.
구체적으로, 상기 플라스틱용 활제는 초본계 농산폐기물이 포함된 배합물과 합성수지간의 접합 또는 친화력 강화 및 배합, 압출시 발생되는 마찰열을 감소시켜 열적 분해를 방지하는 동시에 원활한 압출작업을 수행하기 위하여 첨가되는 성분으로서, 이들을 첨가하더라도 기계적 물성은 기초소재와 유사하게 유지하면서 원활한 작업성을 제공해 준다. 이 활제로는 환경친화도가 높은 천연물인 스테아린산염, 팔미트산염 및 라우르산염으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 칼슘 스테아린산(Calcium Stearate), 아연 스테아린산(Zinc Stearate) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 활제는 본 발명의 총 중량%에 대하여 0.2 내지 0.5 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 0.2 중량%의 양 미만으로 사용될 경우 제품 성형시에 충분한 윤활제로서의 효과를 얻을 수 없고, 0.5 중량%의 양을 초과하여 사용될 경우 제품 내부에 결함을 발생시키거나 제품 성형시 탄화물 또는 플로우마트(flow-mark) 등이 발생하여 미려한 미관을 저해함을 물론 경제적인 효과를 얻을 수 없다.
구체적으로, 상기 플라스틱 분해용 산화제는 고분자 사슬을 끊어 분해시키기 위해 첨가되는 성분으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 플라스틱 분해용 산화제라면 제한없이 사용될 수 있으며, 본 발명의 총 중량%에 대하여 0.1 내지 0.5 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 0.1 중량%의 양 미만으로 사용될 경우 분해 효과가 미미하고, 0.5 중량%의 양을 초과하여 사용될 경우 경제적 효과를 얻을 수 없다.
일 구체예에서, ⅰ) 초본계 폐기물을 100 내지 350 메쉬 이하의 미립자로 분쇄하는 단계; ⅱ) 상기 분쇄된 초본계 폐기물을 90도 내지 135℃에서 1 내지 3시간동안 가열 건조하는 단계; ⅲ) 상기 ⅱ) 단계의 가열 건조시킨 분쇄된 초본계 폐기물에 파라핀을 첨가하고 교반시켜 혼합 분말을 제조하는 단계; ⅳ) 상기 혼합 분말에 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘 및 상용화제를 넣고 혼합물을 제조하는 단계; 및 ⅴ) 상기 ⅳ) 단계의 혼합물을 압출 가공하는 단계를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 ⅳ) 단계의 혼합물에 추가적으로 자연분해성 바이오매스는 ES0(Epoxidized Soybean Oil) 및 유기실란의 4:1 내지 2.5:1의 비율로 혼합한 코팅제 첨가하는 단계를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기의 제조방법에 관한 것이다.
일 구체예에서, 상기의 제조방법으로 제조된 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기에 관한 것이다.
본 발명은 바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명을 활용하면, 초본계 폐기물의 사용 함량을 높인 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기를 제조할 수 있다. 초본계 폐기물의 함량을 높여 바이오 매스를 제조하더라도, 본 목적인 자연분해 효과가 우수한 생활 용기를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 자연분해성 바이오 매스를 이용한 생활용기를 제조하는 방법에 관한 개략도이다.
이하, 본 발명을 첨부한 예시도면 및 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명이 그에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명인 자연 분해성 바이오매스를 이용한 생활용기의 제조방법에 관한 개략도이다. ⅰ) 초본계 폐기물을 100 내지 350 메쉬 이하의 미립자로 분쇄하는 단계; ⅱ) 상기 분쇄된 초본계 폐기물을 가열 건조하는 단계; ⅲ) 상기 ⅱ) 단계의 가열 건조시킨 분쇄된 초본계 폐기물에 파라핀을 첨가하고 교반시켜 혼합 분말을 제조하는 단계; ⅳ) 상기 혼합 분말에 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘 및 상용화제를 넣고 혼합물을 제조하는 단계; ⅴ) 상기 ⅳ) 단계의 혼합물을 압출 가공하는 단계; 및 ⅵ) 상기 ⅴ) 단계의 압출 가공된 바이오매스를 사출 성형시켜 생활용기를 제조하는 단계이다.
[실시예 1]
바이오 매스 펠릿의 제조
옥수수대를 150 메쉬 정도로 분쇄하여 옥수수대 분말을 생성한 다음, 100℃에서 30분간 가열 건조하여, 건조된 옥수수대 분말을 준비하였다. 건조된 옥수수대 분말에 파라핀 왁스 102N 5.5g을 투입하고 500rpm으로 고속 교반하여 옥수수대 분말 표면을 코팅하였다. 표면코팅된 옥수수대 분말 25 중량%, 폴리프로필렌 40중량%, 옥수수전분 20중량%, 초산 6 중량%, 칼슘 스테아린산(Calcium Stearate) 및 아연 스테아린산(Zinc Stearate)의 혼합물 0.3중량%, 리놀레산 0.3중량%, ES0(Epoxidized Soybean Oil) 및 유기실란의 3:1 혼합물 3 중량% 및 탄산칼슘 5.4중량%로 하여 고속 교반기에 투입한 후 400rpm으로 교반하여 혼합물을 생성하고, 이축 압출기를 이용하여 플라시틱 수지-식물체 그라프트 결합이 이루어진 자연분해성 바이오매스 펠릿을 제조하였다.
바이오 매스를 포함하는 생활용기의 제조
상기 실시예에 의해 제조된 바이오매스 펠릿 30 중량%, 폴리프로필렌(PP) 70 중량%를 혼합한 다음, 통상의 사출 성형기를 이용하여 사출 성형품을 제조하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서, 옥수수대 분말 10 중량% 및 폴리프로필렌 55중량%를 넣어준 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법에 의해 사출 성형품을 제조하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1에서, 옥수수대 분말 15 중량% 및 폴리프로필렌 50 중량%를 넣어준 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법에 의해 사출 성형품을 제조하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1에서, 옥수수대 분말 30 중량% 및 폴리프로필렌 35 중량%를 넣어준 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법에 의해 사출 성형품을 제조하였다.
[비교예 4]
상기 실시예 1에서, 옥수수대 분말 40 중량% 및 폴리프로필렌 25 중량%를 넣어준 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법에 의해 사출 성형품을 제조하였다.
[비교예 5]
상기 실시예 1에서, 칼슘 스테아린산(Calcium Stearate) 및 아연 스테아린산(Zinc Stearate)를 안 넣어준 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법에 의해 사출 성형품을 제조하였다.
[실시예 2]
자연분해성 바이오매스를 이용한 사출성형품의 물성 실험
상기 실시예1 및 비교예1 내지 5에 의해 제조된 사출성형품에 대하여 ASTM D 3826 방법에 따라서 25 * 102mm 크기의 샘플에 대해 인장강도를 측정하였다. load cell은 50kg을 사용하였고, UTM 기계를 사용하였고, 기계의 인장 속도는 50mm/min으로 설정하여 실험을 진행하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
구분 인장강도(kg/cm2)
실시예 1 283
비교예 1 270
비교예 2 274
비교예 3 272
비교예 4 261
비교예 5 269
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 초본계 폐기물 중 하나인 옥수수대를 이용하여 사출성형품을 제조하여도 높은 인장강도를 나타내는 사출 성형품을 제조할 수 있었다. 폴리프로필렌으로 제조된 사출 성형품의 경우 측정시 280kg/cm2의 인장강도를 나타내는 점에서 폴리프로필렌으로 제조된 사출성형품의 경우와 큰 차이를 보이지 않을 정도로 좋은 인장강도를 나타낸다. 다만, 비교예1 내지 비교예 4와 같이 옥수수대 분말의 함유양이 적거나 또는 많은 경우는 다소 인장강도가 떨어지는 것으로 나타났으며, 비교예 5 역시 인장강도가 떨어지는 것으로 나타났다.
[실시예 3]
자연분해성 바이오매스를 이용한 사출성형품의 생분해성 실험
실시예 1 및 비교예 1 내지 5에 의해 제조된 사출 성형품을 곰팡이에 의한 생분해성 실험을 실시하였다. 곰팡이를 이용한 생분해성 실험은 시료를 일정한 크기로 절단한 뒤 배지로서 탄소원이 없는 고체 한천 배지를 이용하여 토양 중에 흔히 발견되는 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger), 페니실리움 피노필럼(Penicilium piniphilum), 채토뮴 글로보섬(Cheatomium globosum), 글리오클라듐 바이렌스(Gliocladium virens) 및 오레오바시듐 플루란스(Aureobasidium pullulans)의 혼합 균포자 현탁액을 무균상태에서 스프레이 시켜 50일간 시료의 무게감량율(시료 채취 후 무게/원 시료의 무게 * 100)을 측정하여 생분해성을 측정하였다.
구분
 무게감량율(%)
25일 40일 50일
실시예 1 89.9 70.6 54.2
비교예 1 94.1 78.1 67.1
비교예 2 92.2 75.3 61.4
비교예 3 93.4 76.3 63.1
비교예 4 95.2 77.8 66.8
비교예 5 95.3 80.2 65.5
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 사출 성형품의 경우 50일 정도 경과 후 대략 50% 가까이 생분해가 일어나는 것을 관찰할 수 있다. 폴리프로필렌으로만 제조된 사출성형품은 거의 생분해가 일어나지 않는 특성을 감안할때, 분해가 빠르게 진행되는 것으로 파악 가능하다. 특히나, 곰팡이에 의한 분해는 시간의 경과에 따라 더욱 분해 속도가 증가하는 특성을 보이는 것을 관찰할 수 있다. 비교예1 내지 비교예 5에 비해 실시예 1의 분해 정도가 더욱 좋은 것 역시 관찰할 수 있다.

Claims (6)

100 내지 350 메쉬 이하의 미립자로 분쇄한 초본계 폐기물, 파라핀, 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘, 상용화제, 플라스틱용 활제 및 플라스틱 분해용 산화제를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기.
제 1항에 있어서,
상기 자연분해성 바이오매스는 ES0(Epoxidized Soybean Oil) 및 유기실란의 4:1 내지 2.5:1의 비율로 혼합한 코팅제를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기.
제 1항에 있어서,
상기 초본계 폐기물 20 내지 25 중량%, 파라핀 5 내지 8 중량%, 합성수지 25 내지 45중량%, 초산 5 내지 8 중량%, 녹말 17 내지 22중량%, 탄산칼슘 4.5 내지 7.5 중량%, 상용화제 2 내지 5중량%, 코팅제 2 내지 5 중량%, 플라스틱용 활제 0.1 내지 0.5 중량% 및 플라스틱 분해용 산화제 0.1 내지 0.5 중량%를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기.
ⅰ) 초본계 폐기물을 100 내지 350 메쉬 이하의 미립자로 분쇄하는 단계;
ⅱ) 상기 분쇄된 초본계 폐기물을 90도 내지 135℃에서 1 내지 3시간동안 가열 건조하는 단계;
ⅲ) 상기 ⅱ) 단계의 가열 건조시킨 분쇄된 초본계 폐기물에 파라핀을 첨가하고 교반시켜 혼합 분말을 제조하는 단계;
ⅳ) 상기 혼합 분말에 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘 및 상용화제를 넣고 혼합물을 제조하는 단계; 및
ⅴ) 상기 ⅳ) 단계의 혼합물을 압출 가공하는 단계를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 ⅳ) 단계의 혼합물에 추가적으로 자연분해성 바이오매스는 ES0(Epoxidized Soybean Oil) 및 유기실란의 4:1 내지 2.5:1의 비율로 혼합한 코팅제 첨가하는 단계를 포함하는 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기의 제조방법.
제 4항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 자연분해성 바이오매스를 이용한 생활용기.
KR1020140176087A 2014-03-26 2014-12-09 바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법 KR20150111822A (ko)

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KR20210124769A (ko) 2020-04-07 2021-10-15 (주)나린 글로벌 대나무 줄기 섬유를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법

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