KR20170110061A - 지방산을 함유한 커피분말의 지방산 제어 기술 및 이를 포함하는 바이오 소재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지방산을 함유한 커피분말 유래 분체 기술 및 이를 포함하는 바이오 소재에 관한 것으로, 이 분체를 바이오플라스틱 소재로 활용 가능하여, 기존 사용되는 플라스틱 제품 생산의 원가를 절감하고, 2차 폐자원 처리 문제를 동시에 해결할 수 있다.

Description

지방산을 함유한 커피분말의 지방산 제어 기술 및 이를 포함하는 바이오 소재 {TECHNOLOGY FOR CONTROLLING FATTY ACID OF COFFEE POWDER AND BIOMASS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 지방산을 함유한 커피 찌꺼기 분말 유래 분체 기술 및 이를 포함하는 바이오 소재에 관한 것이다.
필름을 포함한 각종 플라스틱 제품의 사용량의 증가에 따라 근래에 들어 플라스틱 폐기물의 량이 기하급수적으로 증가하고 있다. 일반적으로 플라스틱 폐기물은 매립하거나, 소각 또는 재활용하는 방법으로 처리되고 있다. 그러나 매립의 경우 매립된 플라스틱 폐기물의 분해 시간이 매우 오랜 시간이 소요됨에 따라 매립공간의 부족을 유발하고 토양오염을 일으키는 원인이 된다. 또한 소각의 경우 유독가스의 발생으로 대기오염은 물론 지구의 온난화 현상을 가중시키는 요인으로 작용 한다. 또한 재활용의 경우 수거 및 분리에 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라 그에 따른 처리비용의 상승을 초래한다. 그에 따라 근래에는 빠른 분해성을 부여한 플라스틱 제품이 개발되고 있다.
바이오 베이스 플라스틱(일본의 경우, 바이오매스 플라스틱이라 함)은 옥수수 등 식물로부터 유래하는 소위 바이오매스를 25% 이상 함유하는 플라스틱을 말하는데 대기 중의 탄소가 광합성에 의해 고정된 식물 자원을 원료로 사용함으로써 대기 중의 이산화탄소의 농도가 증가되는 것을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되기 때문에 최근 주목을 받고 있다. 이중 특히 식용으로 사용하기 어려운 농산폐기물, 산업폐기물, 식품공장 부산물 등의 비식용계 유기성 폐자원에 속하는 식물체 바이오매스가 친환경적인 탄소중립형(Carbon neutral) 바이오매스 소재로 주목을 받고 있다.
한편, 일반적으로, 커피(원액)가 추출된 커피열매의 찌꺼기(원두)는, 10% 내지 15%의 커피 오일이 함유되어 있고 그 고형분은 kg 당 6000kcal 이상의 고열량을 가진 에너지 자원이나 일부만 유기질 비료의 원료로 사용되고 대부분은 일반 쓰레기와 같이 소각되거나 매립처리 되고 있다. 그러나 상기와 같은 커피 찌꺼기는 통상 20% 내지 40%의 함수율을 가지기 때문에, 일반적인 방법으로 소각하는데 어려움이 있고 매연이 많이 발생되며 매립 폐기시 높은 함수율에 따라 발생되는 폐액(PH 약 4.0, COD(화학적 산소요구량) 약 5000, SS(부유물질) 약 13000)이 수질이나 토양을 오염시키게 되는 문제점이 있다. 따라서 상기와 같은 커피 찌꺼기를 활용할 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 지방산이 함유된 커피 찌꺼기 분말을 이용하여 바이오플라스틱을 만들고 이를 사용하여 시트 또는 사출 제품을 제조하였을 때, 일정 시간이 경과하면 지방산이 마이그레이션되어 제품 표면이 끈적해지며 제품의 상품성을 잃게 되는 단점이 있어서, 지방산 함유 커피 찌꺼기 분말에 비코팅 탄산칼슘을 첨가하고 건조하여 커피 찌꺼기 분말의 수분을 제거하고 지방산 함량을 낮춘 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
이하, 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 또는 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 표현된 "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 발명의 일 구체예에서, 커피 찌꺼기 분말을 1-30 중량%의 비코팅 탄산칼슘과 혼합하여 건조하고, 분체화시켜서 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 구체예에서, 건조는 125℃ 내지 140℃에서 수행하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하고, 분체화는 볼밀링을 통해서 수행하는 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 커피 찌꺼기 분말의 함수율은 18-20 중량%인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 건조 후 분체의 함수율은 2-3 중량%인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 커피 찌꺼기 분말의 지방산 함량은 18-20 중량%인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 건조 후 분체의 지방산 함량은 5-6 중량%인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 탄산칼슘의 입경은 3-10㎛인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따라서 제조된 분체를 포함하는 바이오플라스틱은, 건조된 지방산 함유 커피 찌꺼기 분말 유래 분체에 올레핀계 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 고분자 화합물을 혼합하여 친환경 바이오플라스틱을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 플라스틱의 제조방법은, 1) 지방산 함유 커피 찌꺼기 분말의 수분 제거 및 지방산 제어를 위한 무기물 첨가 단계, 2) 건조 분체상에 코팅제 첨가 단계, 3) 혼합물과 수지의 고속혼련 단계, 4) 일축, 이축 또는 니더 압출기로 팰릿 압출단계 및 5) 사출 또는 다층/단층 시트 압출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기 본 발명의 바이오플라스틱을 제조하는 방법에 관하여 설명한다. 하기에 설명된 부분을 제외한 전반적인 제조방법은 통상의 방법을 따른다. 먼저, 제 1단계는, 지방산 함유 커피 찌꺼기 분말에 포함된 수분을 제거하기 위한 건조 및 지방산 제어를 위한 무기물 첨가 단계이다. 건조를 위한 1단계에서, 열교반용 드럼드라이어를 이용하여 125℃ 내지 140℃로 수분을 건조하여 커피 찌꺼기 분말에 함유된 수분을 제거하며, 이때 얻어지는 분체상의 함수율은 2-3% 이하인 것이 바람직하다. 1단계 후 얻어진 분체상 배합물을 고속 수퍼믹서를 사용하여 2차 잔량수분을 제거하며, 이때 흡습 방지, 지방산 함량 제어 및 균일 비표면적을 갖게 하기 위하여 표면개질이 되어 있지 않은 미분 무기물 분체를 혼합하고, 분당 3,000~5,000RPM의 속도로 배합하여, 적정 분포도가 유지되는 커피 찌꺼기 분말 분체상 원료를 얻는다. 상기의 일련된 공정으로 얻어진 분체는 대부분 셀룰로스계 섬유질 및 린트에 해당되는 섬유질로서, 섬유질의 비중이 낮고 친수성 표면을 가지므로 석유계 화합물과 상용성을 가지지 못한다. 이에 따라 열적 특성이 떨어지고 가공시 연속공정에서 탄화물이 발생하는 문제점이 있으므로, 이를 해결하기 위해 무기물 첨가제를 혼합한다. 비코팅 무기물질로는 탄산칼슘, 실리카, 탈크, 마이카, 크레이 등을 사용하는 것이 바람직하며, 비코팅 무기물질의 입경은 3㎛ 내지 10㎛의 것을 사용하는 것이 효과적이고, 또한 무기물 첨가량은 커피 찌꺼기 분말 분말 유래 분체 대비 1 내지 30% 이내로 투입하는 것이 바람직하다. 이 무기물은 커피 찌꺼기 분말이 함유하고 있는 지방산을 나눠 가짐으로써 전체 지방산의 함량을 낮추게 된다. 미분의 분체 입경을 원할 시에는 무기물 투입량을 높여 파단력 및 전단력을 높임으로서 요구되는 입경을 제어한다.
제 2단계는 혼합 건조 분체상에 코팅제를 첨가하여 분포도를 확보하는 단계로서, 지방산 계통의 식물성 유지류를 이용한다. 제 1단계에서 형성된 혼합물에 지방산 산화 물질인 ESO와 유기실란을 3:1로 혼합한 혼합물을 수분 8% 내의 중량 대비 2 내지 6 중량%로 첨가하고 120~160℃의 저속 드럼열교반기로 가열하면, 수지와 분체 무기물을 코팅할 뿐만 아니라 셀룰로스의 말단기에 작용하여 상용성을 높여주고 2차 수분 재흡수를 방지한다. 또한, 미분산으로 일어나는 마찰계수를 낮추어 순조로운 압출을 유도하므로 양질의 물성을 갖는 수지 대체 소재를 생산할 수 있으며, 압출기 내부의 탄화방지에도 효과적이다. 이러한 공정 중 셀룰로스를 최종 50%이상 고농축 하려면 탄화가 일어나는데, 이를 방지하기 위하여 식용가소제를 커피 찌꺼기 분말 미분체 대비 1 내지 3 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
제 3단계는 상기 제 2단계에서 생성된 배합물과 수지를 고속혼련하는 단계이다. 본 발명의 주요 목적은 폐자원을 활용하는 동시에, 화석원료 사용량(석유화학계 고분자 수지)을 줄여 탄소저감 및 녹색친환경 제품을 만들 수 있는 소재 생산에 대한 것이므로, 반드시 석유계수지 화합물과 컴파운딩 공정을 수반하게 된다. 따라서 소수성인 석유계 화합물에 맞추어 친수성인 커피 찌꺼기 분말 미분체도 소수성으로 표면개질의 공정을 거치는 것이 필수적이다. 이를 위해, 먼저 고속믹서기에 수지와 활제로 사용되는 저분자 폴리머를 수지중량 대비 1 내지 5 중량%로 투입하여, 85 내지 120℃로 가열 교반하여 준비한다. 이때의 수지 혼합물을 제 2단계에서 생성된 배합물에 25 내지 60 중량%로 투입 후 고속 혼련하여, 수지표면에 함침 코팅혼합물을 흡착시킨다. 수지 혼합물 내의 저분자 폴리머 비율이 흡착량을 결정하게 되며, 이는 압출 성형 시 수지와 천연물이 고르게 분산되게 하는 중요한 역할을 한다.
제 4단계는 압출단계이다. 상기 혼합물을 일축, 이축 또는 니더 압출기를 활용하여 수지용융 온도로 가압가열하고, 진공 펌프를 이용하여 가스를 제거하는 일련의 공정이다. 상기 제조한 바이오 소재에 폴리올레핀계 수지인 폴리프로필렌(PP)을 베이스로 하여 사용하고, 폴리올레핀계 수지와의 상용성을 더욱 높이기 위하여 에틸렌 계열의 에드폴리머 상용화 수지 등이 추가적으로 사용될 수 있다. 상용화 수지의 예로는 에틸렌비닐알콜, 폴리비닐알콜 및 에틸렌비닐아세테이트, EBA-MA, MAH 등이 있다. 또한, 폴리에틸렌(PE)-왁스 등의 플라스틱용 활제나, 통상의 플라스틱 분해용 산화제가 추가적으로 배합될 수 있다. 상기 상용화 올레핀계 수지는 폴리에틸렌, 폴리우레탄 등 시트 및 필름 제조에 사용되는 수지가 가능하며, 바람직하게는 극성 결합(polar grafting)이 가능한 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 스트랜드 후 컨베이어 공냉식을 사용하여 냉각하는 방법으로 펠렛을 생산하며, 이때 펠렛의 총중량 대비 30 내지 80 중량%로 바이오매스 분체를 농축하는 것이 바람직하다. 여기서의 펠렛은 최대한 고농축하는 것이 추후 바이오플라스틱 생산의 원가경쟁력을 가지게 한다.
마지막으로, 제 5단계는 사출 또는 다층/단층 시트의 압출 생산 단계이다. 상기 제조된 커피분말 펠릿을 이용하여 바이오시트를 단층 및 다층으로 제조하며, 이 구성 중 다층의 경우 스킨층은 통상적으로 일반의 수지를 사용하여 시트의 물리적 성질을 보완하거나, 항균 방충 선도 등의 기능성 소재를 첨가하여 친환경 복합 다기능 시트를 제공할 수 있다. 진공성형 과정을 거쳐 상품트레이 및 산업용 건축재, 수산물 양식용 시트 등으로 제조 가능하다. 또한 상기 제조된 커피 찌꺼기 분말 펠릿을 이용하여 금형을 이용하여 사출 제품을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 지방산이 함유된 커피 찌꺼기 분말 유래의 분체는 바이오플라스틱 소재로 활용 가능하여, 기존 사용되는 플라스틱 제품 생산의 원가를 절감하고, 2차 폐자원 처리 문제를 동시에 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 커피 찌꺼기 분체이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 커피 찌꺼기 분말 펠릿이다.
도 3는 본 발명에 따라 제조된 커피 찌꺼기 분말 펠릿을 이용하여 제조된 커피시트이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 커피 찌꺼기 분말 펠릿을 이용하여 제조된 텀블러이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
커피 찌꺼기 분말 유래 분체의 제조
함수율 20-40%를 가지는 커피 찌꺼기 분말(동서식품, 커피빈코리아, 스타벅스)을 열교환 드럼드라이어를 활용해 125 내지 140℃의 조건에서 열풍 및 고속회전 건조하거나, 고속제트기류 방식으로 기류 건조하였다. 이때, 비코팅 무기물질로서 1-30 중량%의 탄산칼슘을 첨가하여(입경의 크기가 3-10㎛ 인 탄산칼슘) 지방산 및 수분 이동을 촉진시켰다. 이때, 밖으로 나온 지방산이 탄산칼슘으로 전이되어 최종 지방산 함량이 낮아지게 되었다. 그 결과 함수율이 2 내지 3 중량% 정도이고 5.4~6%의 지방산 함량이 감소된 커피 찌꺼기 분말 유래 건조물을 수득하였다.
이때 사용한 커피 찌꺼기 분말의 평균적 성분은 하기와 같다:
Figure pat00001
상기 커피 찌꺼기 분말 유래 건조물을 분체기에 넣고 볼밀링하여 미세 분체화 하여 커피 찌꺼기 분말 유래 분체를 제조하였다. 분체 과정에서 커피 찌꺼기 분말의 지방산이 밀링시 압력에 의해 밖으로 추가로 유출되고 탄산칼슘에 흡수됨으로써, 지방산으로 발생하는 뭉침 현상을 방지하면서 분산력이 증가하였다.
바이오플라스틱용 펠렛의 제조
실시예 1에서 제조된 분쇄를 110L의 니더압출기에서 하기 표1과 같이 고분자 수지와 혼합하고, 공냉다이커팅 시스템을 이용하여 바이오플라스틱용 펠렛을 제조하였다. 펠렛 제조시 혼합된 세부 성분과 각각의 함량은 표 2에 나타내었다.
Figure pat00002
셀룰로오스 바이오매스는 수지와 상용성이 없어 결합성이 없고, 기공도가 높으나, 실시예 2의 바이오 플라스틱용 펠렛은 수지와 결합성이 높고, 기공도가 낮다.

Claims (10)

  1. a) 열교반용 드럼드라이어를 이용하여 125 ~ 140℃에서 커피 찌꺼기 분말을 1~30 중량% 비코팅 탄산칼슘과 혼합한 후 건조하여 혼합 건조 분체를 생성하는 단계;
    b) 상기 혼합 건조 분체에, 코팅제인 ESO(epoxidized soybean oil) 및 유기실란이 3:1의 비율로 혼합된 혼합물을 2 ~ 6 중량%로 첨가한 뒤, 120 ~ 160℃의 드럼열교반기로 가열하여 혼합하는 단계;
    c) CAS 번호가 25087-34-7인 수지 중량 대비 CAS 번호가 9002-88-4인 수지를 1 내지 5 중량%로 혼합하는 단계; 및
    d) 상기 b) 단계 후 얻어진 혼합물에 대하여 상기 c) 단계 후 얻어진 혼합물을 25 내지 60 중량%로 혼련하는 단계; 및
    e) 상기 d) 단계 후 얻어진 혼합물에 폴리올레핀계 수지를 함께 압출하는 단계를 포함하고,
    상기 비코팅 탄산칼슘의 입경은 3 ~ 10㎛이고,
    상기 b) 단계는 식용가소제를 상기 커피 찌꺼기 분말의 중량 대비 1 내지 3 중량%를 더 첨가하여 가열 혼합하는 단계를 더 포함하는, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱을 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 e) 압출하는 단계는 에틸렌비닐알콜, 폴리비닐알콜 및 에틸렌비닐아세테이트로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 추가로 혼합하여 압출하며 수행되는, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱을 제조하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 건조 후 혼합 건조 분체의 함수율은 2 ~ 3 중량%인 것인, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱을 제조하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 건조 후 혼합 건조 분체의 지방산 함량은 5 ~ 6 중량%인 것인, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱을 제조하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 a)의 건조 단계는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조인 것인, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱을 제조하는 방법.
  6. a) 열교반용 드럼드라이어를 이용하여 125 ~ 140℃에서 커피 찌꺼기 분말을 1~30 중량% 비코팅 탄산칼슘과 혼합한 후 건조하여 혼합 건조 분체를 생성하는 단계;
    b) 상기 혼합 건조 분체에, 코팅제인 ESO(epoxidized soybean oil) 및 유기실란이 3:1의 비율로 혼합된 혼합물을 2 ~ 6 중량%로 첨가한 뒤, 120 ~ 160℃의 드럼열교반기로 가열하여 혼합하는 단계;
    c) CAS 번호가 25087-34-7인 수지 중량 대비 CAS 번호가 9002-88-4인 수지를 1 내지 5 중량%로 혼합하는 단계; 및
    d) 상기 b) 단계 후 얻어진 혼합물에 대하여 상기 c) 단계 후 얻어진 혼합물을 25 내지 60 중량%로 혼련하는 단계; 및
    e) 상기 d) 단계 후 얻어진 혼합물에 폴리올레핀계 수지를 함께 압출하는 단계에 의하여 제조되는 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱으로,
    상기 비코팅 탄산칼슘의 입경은 3 ~ 10㎛이고,
    상기 b) 단계는 식용가소제를 상기 커피 찌꺼기 분말의 중량 대비 1 내지 3 중량%를 더 첨가하여 가열 혼합하는 단계를 더 포함하는, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 e) 단계의 압출 시 에틸렌비닐알콜, 폴리비닐알콜 및 에틸렌비닐아세테이트로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 추가로 혼합하여 압출하는 것인, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 a) 단계의 건조 후 혼합 건조 분체의 함수율은 2 ~ 3 중량%인 것인, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 a) 단계의 건조 후 혼합 건조 분체의 지방산 함량은 5 ~ 6 중량%인 것인, 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 a) 단계의 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조인 것을 특징으로 하는 커피 찌꺼기 분말 유래 바이오 플라스틱.
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