KR20180003804A - 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오 플라스틱 필름 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 식품 부산물인 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물, 이를 이용한 바이오 플라스틱 펠렛 및 필름에 관한 것으로, 조성물의 물성이 개선되고 이에 의해 제조된 바이오 플라스틱 필름의 물성도 개선되어 탄소저감이 가능하면서 기존의 석유 유래의 플라스틱 제품을 대체할 수 있는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오 플라스틱 필름에 대한 것이다.

Description

소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오 플라스틱 필름{Bio plastic composition comprising wheat bran and Bio plastic film using therefrom}
본 발명은 식품 부산물인 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물과 이를 이용한 바이오 플라스틱 펠렛 및 필름에 관한 것으로, 조성물의 물성이 개선되고 이에 의해 제조된 바이오 플라스틱 필름의 물성도 개선되어 탄소저감이 가능하면서 기존의 석유 유래의 플라스틱 제품을 대체할 수 있는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오 플라스틱 필름에 대한 것이다.
플라스틱은 고분자 물질로서 분자량이 큰 물질이다. 분자량이 커짐에 따라 기체로부터 액체, 고체로 변화한다. 고체물질에서는 분자량이 커짐에 따라서 유동성은 나빠지지만, 역학적 성질이나, 내열성 등이 향상하고, 금속, 목재, 도자기, 고무 등과 같이 일상생활에서 필요한 재료의 하나로서 사용될 수 있는 성질을 갖게 된다. 이 고분자 물질에 각종 개질제, 착색제, 보강재, 충전재료 등을 첨가하여 성형가공된 것이 플라스틱이다. 플라스틱의 성질은 PE,PP,PVC 등 합성수지의 화학구조에 따라 결정되지만, 같은 수지라도 많은 요인에 따라 성질이 변화하기 때문에 이것을 이용하면 개질할 수 있다. 화학적 구조에서도 분자량, 분자량분포, 폴리머를 만드는 조건(중합조건)에 의한 주쇄(Main Chain)와 사이드 체인(Side Chain)상태, 말단기(End group/Terminal Group), 가교(Bridg), 입체규칙성, 코폴리머의 조성분포 등에 따라 성질이 달라진다. 일반적으로 고분자 원재료에 여러종류의 첨가제나 보강재, 개질제 등 각종 배합제를 가하여 사용 목적에 적합한 조성물을 제조하는 것을 컴파운딩(compounding)이라 하며, 하여 펠렛(pellet)형태로 유통되고 있다.
근래에 들어 식품 포장재로 이용되는 필름을 포함한 각종 플라스틱 사용량의 증가에 따라 플라스틱 폐기물 양이 기하급수적으로 증가하고 있다. 일반적으로 플라스틱 폐기물은 매립, 소각 또는 재활용하는 방법으로 처리되고 있다. 그러나 석유 유래의 플라스틱 제품을 사용한 후 그 폐기물을 소각 및 매립하는 경우, 유독가스가 발생하여 대기오염을 유발하고, 매립공간의 부족 및 환경오염을 유발시키는 원인이 된다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 식물유래의 부산물이나 발효기술을 이용한 천연 원료를 활용함으로써, 탄소저감이 가능한 친환경적인 플라스틱 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 이와 같은 석유 유래가 아닌 식물 유래의 부산물을 플라스틱 조성물 개발에 활용하는 경우, 석유계 플라스틱 소재의 함량을 적게 사용하여, 탄소 저감 효과는 있으나, 기존의 플라스틱 조성물과 비교하여 신장률, 인장강도 등 물성이 저하되는 문제점이 있다.
이와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0018004호에서는 바이오 매스를 이용한 시트용 조성물을 개시하고, 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0094865호는 바이오매스 필름용 조성물을 개시하며 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0051840호에서는 식물체 바이오매스를 이용한 친환경 바이오 베이스 펠렛을 개시하고 있으나, 소맥피를 사용한 바이오 플라스틱 조성물에 대해서 개시한 바 없었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0018004호 (공개일 2015년 8월 26일) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0094865호 (공개일 2015년 7월 31일) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0051840호 (공개일 2013년 5월 21일)
본 발명은 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제공하기 위하여 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 계면활성제를 함유하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 바이오 플라스틱 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛 및 필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위하여 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 계면활성제를 함유하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제공한다.
상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 및 폴리메틸펜텐 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 조성물 내 폴리올레핀계 수지는 상기 조성물 내 40 ~ 70 중량% 포함될 수 있다.
한편, 상기 소맥피의 크기는 5 ~ 30㎛일 수 있으며, 소맥피 크기의 균일도(PDI)는 2 이하이고, 소맥피의 수분함량은 1 ~ 10%일 수 있다. 그리고 상기 소맥피는 조성물 내 10 ~ 30 중량% 포함될 수 있다.
한편, 상기 왁스는 파라핀 왁스, 유동 파라핀 왁스, 밀납, 몰다 왁스, 칸데릴라 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스 중 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 조성물 내 10 ~ 20 중량% 포함될 수 있다.
그리고, 무기물 필러는 탄산칼슘, 실라카, 마이카 및 탈크로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이며, 상기 조성물 내 5 ~ 20 중량% 포함될 수 있다.
또한, 상기 계면활성제는 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산, 아라키드산, 올레인산, 리놀렌산 및 경화지방산 과 같은 지방산, 글리세린, 부틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 펜틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 및 솔비톨과 같은 폴리올 계열 중에서 선택된 어느 하나 이상이며 상기 조성물 내 0.5 ~ 5 중량% 포함일 수 있다.
한편, 상기 조성물은 조성물 전체 100 중량부에 대하여 10 ~ 30 중량부의 폴리올레핀계 수지를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛을 제공한다.
그리고, 본 발명은 상기한 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 필름을 제공한다. 상기 필름은 폴리올레핀계 수지를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 1) 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 계면활성제를 가열혼합하여 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 단계 및 2) 상기 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 압출, 절단하여 펠렛으로 성형하는 단계를 포함하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 펠렛의 제조방법을 제공한다.
특히, 상기 소맥피는 혼합 전 분쇄 후, 분급 및 미분화 과정을 거칠 수 있다.
본 발명은 또한 상기 제조방법으로 제조한 바이오 플라스틱 펠렛에 추가로 폴리올레핀계 수지를 포함하는 바이오 플라스틱 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바이오 플라스틱 조성물은 물성이 고르고 분산성 높아 필름 제조 시 종래의 설비를 사용할 수 있고, 제조 시에 홀(hole)이 발생하지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바이오 플라스틱 필름은 기존 플라스틱 계열 필름과 유사한 물성을 가져 종래의 설비를 사용할 수 있으면서, 탄소저감이 가능한 바이오 플라스틱 필름을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 포함하는 펠렛의 제조 공정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 종래 소맥피의 크기가 균일하지 않은 조성물을 이용하여 필름을 제조할 때 홀(hole)이 발생한 것을 나타내는 사진이다.
도 3은 소맥피 함량에 따른 바이오 플라스틱 조성물의 펠렛 및 필름을 나타낸 사진이다.
도 4는 분쇄 후, 분급 후 미분 하였을 때 입자직경에 따른 평균 용량을 나타내는 도표이다.
본 발명은 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 기타 첨가제를 함유하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제공한다.
본 발명의 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 및 폴리메틸펜텐 중에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 중에서 선택된 하나 이상 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 폴리에틸렌(PE)일 수 있다.
상기 폴리에틸렌은 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 또한, 상기 폴리 에틸렌은 메탈로센(Metallocene) 촉매 및 지글러 나타(Zeiggler-Natta) 촉매 중 선택된 하나 이상의 촉매하에서 제조된 것일 수 있으나, 바람직하게는 메탈로센(Metallocene) 촉매를 이용하여 제조된 것일 수 있다. 상기 메탈로센 촉매는 지글러 나타 촉매와 달리 단일활성점을 가지고 있고, 단일활성점 촉매 기술로 고분자 구조를 정밀하게 제어하여, 특정 합성 과정을 자유롭게 구현할 수 있다. 특히 M-PE는 메탈로센 촉매를 사용하여 합성한 PE를 말하는 것으로, M-PE는 다른 PE보다 가공성과 품질이 우수하여, 기포나 구멍 생성이 적다.
상기 조성물 내 폴리올레핀계 수지는 상기 조성물 내 40 ~ 70 중량% 포함될 수 있다. 40 중량%보다 적게 포함되는 경우 조성물의 혼합이 용이하지 않고 펠렛가공이 용이하지 않으며, 필름 제조 시 물성이 고르지 않은 문제점이 있다. 70 중량%보다 많이 포함하는 경우 조성물에서 소맥 고유의 컬러가 유지되지 않고, 탄소저감 효과가 미미해진다. 그러나, 본 발명의 조성물은 상기 범위의 폴리올레핀계 수지가 포함되어 조성물이 소맥 고유의 컬러가 유지되면서 필름 제조 시 소맥의 기포가 발생하지 않고, 기존 플라스틱 계열 필름과 동일한 외관, 품질을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 소맥피는 바이오 매스 중 밀가루 생산 후 남은 부산물을 사용할 수 있고, 구체적으로 상기 소맥피는 분쇄, 분급, 및 미분화 과정을 거친 것 일 수 있다.
상기 소맥피의 크기는 5 ~ 30㎛, 바람직하게는 10 ~ 25㎛일 수 있다. 상기의 소맥피 크기 범위보다 작은 경우 분말이 날려서 작업성이 나빠지고, 이는 수율에 영향을 미친다. 범위보다 큰 경우 조성물의 용융 지수(MI)가 높아져 상기 조성물로 제조된 펠렛의 경도가 일정하지 못하고, 이를 이용하여 필름 제조 시 필름 가공성이 낮아 홀(hole)이 발생하거나, 필름 물성(씰링강도, 인장강도, 신율 등)에 편차가 발생한다. 이와 함께 상기 소맥피 입자의 균일도는 PDI(polydipersity index)로 정의한다. PDI는 직경의 표준편차/직경의 평균의 제곱으로 나타내어진다. 본 발명에서 상기 소맥피의 PDI값은 2 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1.5 이하일 수 있다. 소맥 사이즈의 균일도가 상기 범위를 벗어날 경우 컴파운딩 물성이 고르지 않으며, 분산성이 떨어질 수 있다. 상기 PDI 범위일 경우 30㎛ 보다 작은 분말이 80%정도로 형성될 수 있다.
또한, 상기 소맥피는 1 ~ 10%의 수분 함량을 가질 수 있다. 상기의 소맥피 수분함량 범위 보다 낮은 경우 소맥피 가공 공정이 비효율적이고, 범위보다 큰 경우 제조된 조성물의 물성이 나쁘고, 필름 가공정도가 낮아진다.
상기 소맥피는 조성물 내 10 ~ 30 중량% 포함될 수 있다. 상기의 범위보다 적은 경우 조성물에서 소맥피 고유의 컬러가 유지되지 않을 수 있고, 범위보다 많은 경우에는 미세 크기의 소맥피가 조성물 제조과정 중 뭉치게되어 기포를 포함하므로 필름의 물성(씰링강도, 인장강도, 신장율 등)이 떨어질 수 있으며, 제조 시 홀(hole)을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다. 그러나 본 발명의 조성물은 상기 범위의 소맥피가 포함되어 소맥 고유의 컬러가 유지되면서 필름 제조 시 기포가 발생하지 않고, 기존 플라스틱 계열 필름과 동일한 외관, 품질을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 왁스는 소맥피와 폴리올레핀 수지를 연결해주는 역할을 하며 파라핀 왁스, 유동 파라핀 왁스, 밀납, 몰다 왁스, 칸데릴라 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스 중 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않으나 바람직하게는 폴리에틸렌 왁스를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 저밀도 폴리에틸렌 왁스(LDPE WAX)와 고밀도 폴리에틸렌 왁스(HDPE WAX) 중 선택된 하나 또는 둘을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 왁스는 상기 조성물 내 10 ~ 20 중량% 포함될 수 있다.
본 발명의 상기 무기물 필러는 탄산칼슘, 실라카, 마이카 및 탈크로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 바람직하게는 가격이 저렴한 탄산칼슘(CaCO3)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 무기물 필러는 상기 조성물 내 5 ~ 20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위보다 적게 포함되는 경우 물성저하와 생산단가가 높아질 수 있고, 상기 범위보다 많이 포함되는 경우 조성물 및 필름의 물성이 나빠질 수 있다.
본 발명의 상기 계면활성제는 상기 소맥피 표면을 코팅하고 왁스나 폴리올레핀등과 잘 혼합할 수 있게 하며 소맥피가 타지 않게 하는 역할을 하며 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산, 아라키드산, 올레인산, 리놀렌산 및 경화지방산 과 같은 지방산, 글리세린, 부틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 펜틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 및 솔비톨과 같은 폴리올 계열 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 상기 계면활성제는 상기 조성물 내 0.5 ~ 5 중량% 포함될 수 있다. 계면활성제가 0.5 중량% 미만일 경우 계면활성제의 효과가 미미하며, 5 중량%를 초과할 경우 인장 강도 등 필름 물성이 저하되는 현상을 나타낸다.
본 발명의 상기 조성물은 조성물 전체 100 중량부에 대하여 10 ~ 30 중량부의 폴리올레핀계 수지를 조성물 제조 후 더 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 수지는 조성물 내에 포함된 폴리올레핀계 수지와 동일하거나 상이한 것일 수 있으나, 바람직하게는 상이한 것을 사용하는 것이 물성을 개선시킬 수 있어 바람직하다. 상기 범위의 폴리올레핀계 수지를 더 포함할 경우 필름의 물성이 개선될 수 있다.
본 발명의 상기 조성물의 용융지수(MI)는 1.5 ~ 10일 수 있다. 상기 용융지수(MI:melting index) 범위보다 낮거나 높은 경우 조성물의 흐름성이 지나치게 낮거나 높아 압출 성형에 적합하지 않을 수 있다. 특히 용융지수가 10이 넘을 경우 조성물이 떡지는 현상이 생겨 필름을 제작할 수 없다.
본 발명은 상기 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛을 제공할 수 있다.
상기 조성물을 포함하는 펠렛은 1) 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 계면활성제를 가열 혼합하여 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 단계 및 2) 상기 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 압출 절단 하여 펠렛으로 성형하는 단계를 포함하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 펠렛의 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 구체적으로 상기 소맥피는 혼합 전 분쇄, 분급 및 미분화 과정을 거쳐 제조된 것일 수 있다. 상기 분쇄 과정은 공지의 분쇄장치를 이용하여 분쇄될 수 있고, 분급 과정은 분쇄된 소맥피를 크기별로 선별하는 것을 말하며, 미분화 과정은 체를 통과한 작은 크기의 소맥피를 모으는 것을 말한다. 상기 과정을 거쳐, 균일한 미세 크기의 소맥피를 얻을 수 있다.
여기서 상기 조성물을 포함하는 펠렛의 경도는 94 ~ 98 이하일 수 있다. 상기 경도의 측정방법은 JIS-A에 의해 측정된 것으로, 펠렛이 상기 경도 외일 경우 분산성이 떨어져 필름 가공성이 떨어진다.
본 발명의 바이오 플라스틱 조성물은 물성이 고르고 분산성 높아 필름 제조 시 종래의 설비를 사용할 수 있고, 제조 시에 홀(hole)가 발생하지 않는 효과가 있다.
본 발명은 상기 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 필름을 제공할 수 있다.
상기 필름은 기존의 석유 유래의 플라스틱 제품을 대체할 수 있는 물성을 가질 수 있다. 구체적으로 상기 필름의 씰링강도는 0.3 ~ 1.4 kgf 이고 찌름강도는 0.08 ~ 0.24kgf 일 수 있다. 또한, 상기 필름의 신장율은 MD(mechanical direction) 300 ~ 750%, TD(Transverse direction) 250 ~ 900%일 수 있고, 인장강도는 MD(mechanical direction) 0.4 ~ 1.5 kgf, TD(Transverse direction) 0.3 ~ 1.7kgf 일 수 있다. 상기 물성 범위는 지대 포장, 톤백 내피, 밸브 가방 속지 등 여러 포장에 이용할 수 있다.
본 발명의 상기 바이오 플라스틱 필름은 상기한 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물, 폴리올레핀 수지 및 첨가제와 혼합, 용융된 뒤 티-다이로 압출 또는 캘린더 성형하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물로 제조된 소맥피를 함유한 바이오 플라스틱 펠렛에 추가로 폴리올레핀계 수지를 포함하여 바이오 플라스틱 필름을 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 폴리올레핀계 수지는 조성물 내에 포함된 폴리올레핀계 수지와 동일하거나 상이한 것일 수 있으나, 상이한 것을 사용하는 것이 필름의 물성을 개선시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 바이오 플라스틱 필름은 기존 플라스틱 계열 필름과 유사한 물성을 가져 종래의 설비를 사용할 수 있으면서, 탄소저감이 가능하다.
이하의 실시예에서 본 발명에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다. 실시예는 본 발명의 일 예시만을 개시하는 것이므로, 본 발명의 범위가 실시예의 범위로 한정되지 않는다.
< 실시예 >
1. 소맥피 크기에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
실시예 1: 15㎛ , PDI = 1 인 소맥피 분말을 포함하는 조성물 및 필름의 제조
1) 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 제조
소맥피를 ACM 분쇄기에서 100~200RPM으로 Blade의 모터를 조절하여 자동 건조시켜 수분율을 7% 이하로 분쇄하고 분쇄된 미립자를 분급하여 15㎛, PDI=1인 분말을 생성하였다 (도 4). 상기 범위의 분말은 30㎛ 보다 작은 분말이 90%정도로 형성된다. 15㎛, PDI=1인 소맥피 분말 25중량%에 펠렛 또는 파우더 형태의 폴리에틸렌(LLDPE) 50중량%, 무기물 필러로 탄산칼슘 10중량% 및 왁스 14중량% 및 계면활성제를 1중량%를 160℃~200℃에서 소맥피가 타지 않게끔 온도를 조절하며, 가열혼합하여 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제조한 뒤 이를 압출, 절단하여 펠렛으로 가공하였다.
2) 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 제조
상기 제조된 펠렛 20 중량%과 석유계 PE 블렌딩(blending) 80 중량%(LLDPE 70 중량%, LDPE 10중량%)을 혼합한 뒤 50㎛두께의 제조예 1 필름을 제조하였다.
비교예 1: 70㎛ , PDI =3인 소맥피 분말을 포함하는 조성물 및 필름의 제조
70㎛,PDI=3인 소맥피 분말을 생산, 사용하는 것 외에 실시예 1와 동일한 제조방법 비교예 1 바이오 플라스틱 조성물 및 필름을 제조하였다.
실험예 1: 소맥피 크기에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
실시예 1 및 비교예 1의 바이오 플라스틱 필름의 물성을 확인하기 위하여 인장강도, 신장율, 씰링강도, 찌름강도를 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
소맥피 크기에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
항목 실시예 1 비교예 1
소맥피 입자(㎛,PDI) 15,1 70,3
두께(㎛) 50 50
인장강도(kgf, 15mm) TD 1.01 0.34
MD 1.36 1.00
신장율(%) TD 591 85
MD 522 348
씰링강도(kgf) 0.77 0.66
찌름강도(kgf) 0.14 0.12
표 1에서와 같이 실시예 1의 바이오 플라스틱 필름은 인장강도, 신장율, 씰링강도 및 찌름강도가 비교예 1의 바이오 플라스틱 필름에 비하여 높을 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 소맥피 입자가 15㎛, PDI=1 인 경우 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성이 개선되는 것을 확인 할 수 있다.
2. 소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 및 필름의 물성 비교
실시예 2 내지 4: 소맥피 함량을 달리한 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 제조
실시예 1과 같은 제조방법으로 제조된 15㎛, PDI=1 크기의 소맥피 분말에 펠렛 또는 파우더 형태의 폴리에틸렌(LLDPE), 무기물 필러로 탄산칼슘과 왁스 14중량% 및 기타첨가제 1중량%를 혼합하여 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제조한 후 이를 펠렛으로 가공하였다. 펠렛 내 소맥피 폴리에틸렌, 무기물 필러의 함량비는 아래의 표 2와 같다.
비교예 2: 소맥피를 포함하지 않는 필름의 제조
소맥피와 무기물 필러 없이 폴리에틸렌만을 사용한 것 외에 실시예 2 내지 4와 동일한 제조방법으로 비교예 2의 조성물을 제조한 후 펠렛으로 가공하였다.
소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 조성
구분 실시예 2 실시예 3 실시예4
소맥피 함량 5% 15% 25%
폴리에틸렌 함량 70% 60% 50%
무기물 필러 15% 10% 10%
실험예 2: 소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 물성 비교
소맥피 함량만 달리한 실시예 2 내지 4의 바이오 플라스틱 조성물 또는 펠렛과 소맥피를 포함하지 않는 비교예 2의 조성물 또는 펠렛의 용융지수(MI 190, 2.16kg), 경도(JIS-A) 및 비중을 측정하였고 결과를 표 3에 나타내었다.
소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 물성
구분 비교예 2 실시예 2 실시예 3 실시예 4
MI(190℃, 2.16kg) 1.00 1.43 1.85 2.26
경도 (JIS-A) 96.5 97.5 97.5 95~96
비중 1.213 1.044 1.035 1.046
실시예 2 내지 4의 조성물 제조 시 검은 반점이 발생되지 않고 갈색 컬러가 유지되었다. 그리고, 표 3에서 도시된 바와 같이 실시예 2 내지 4의 조성물의 용융지수는 소맥피 함량이 높아질수록 증가하는 경향을 보이나 비교예 2과 비교하더라도 모두 필름 제조에 적정한 수치를 나타내었고, 조성물로 제조한 펠렛의 경도 또한 비교예 2와 큰 차이를 나타내지 않았다. 비중은 소맥피의 포함으로 인해 비교예 2 보다 작은 것으로 확인되나, 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱의 제조에 적정한 수치를 나타내었다.
실시예 5 내지 7: 소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 제조
상기 실시예 2 내지 4의 소맥피를 포함한 조성물 각각 20 중량%과 석유계 PE 블렌딩(blending) 80 중량% (LLDPE 70 중량%, LDPE 10중량%)를 혼합한 뒤 50㎛두께의 제조예 5 내지 7 필름을 제조하였다.
실험예 3: 소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
실시예 5 내지 7 의 바이오 플라스틱 필름의 인장강도, 신장율, 씰링강도 찌름강도를 측정하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
소맥피 함량에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
항목 실시예 5 실시예 6 실시예 7
펠렛 내 소맥피 함량 5% 15% 25%
두께(㎛) 50 50 50
인장강도(kgf, 15mm)
 TD 1.60 1.08 0.65
MD 1.42 0.83 0.41
신장율(%)
 TD 552.97 452.72 318.48
MD 661.72 613.47 350.71
씰링강도(kgf) 0.88 0.59 0.40
찌름강도(kgf) 0.18 0.15 0.09
실시예 5 내지 7의 필름의 제조 시 소맥의 기포가 발생하지 않았고, 조성물의 물성이 고르고 분산성이 높아 필름의 두께 편차가 ±2% 이내로 제조되었다. 표 4에서와 같이 실시예 5 내지 7의 바이오 플라스틱 필름은 인장강도, 신장율, 씰링강도 및 찌름강도가 포장용으로 적절한 수준인 것을 확인 할 수 있었다.
3. 폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 및 필름의 물성 비교
실시예 8 내지 12: 폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 제조
실시예 1과 같은 제조방법으로 제조된 소맥피 분말에 펠렛 또는 파우더 형태의 폴리에틸렌 및 촉매, 무기물 필러로 탄산칼슘 및 왁스 및 기타첨가제 1중량%를 혼합하여 소맥피를 포함한 조성물을 제조하였다. 소맥피, 폴리에틸렌, 무기물 필러, 왁스 및 기타 첨가제의 함량비는 아래의 표 5와 같다.
폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 조성
구분 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12
소맥피 함량 5% 15% 25% 50% 30%
폴리올레핀 수지 70% 60% 50% 35% 60%
촉매 Metallocene Metallocene Metallocene Metallocene Ziggler-atta
탄산칼슘 함량 15% 10% 10% 10% 10%
왁스 14% 14% 14% 14% 14%
기타 첨가제 1% 1% 1% 1% 1%
비교예 3 및 4: 소맥피를 포함하지 않는 바이오 플라스틱 조성물의 제조
실시예 8 내지 12와 동일한 제조방법에서 소맥피를 포함하지 않고 폴리에틸렌 및 촉매(메탈로센 촉매 및 지글러-나타 촉매)만을 사용한 비교예 3(폴리올레핀 수지 100%, 메탈로센 촉매) 및 4(폴리올레핀 수지 100%, 지글러-나타 촉매)의 조성물을 제조하였다.
실험예 3: 폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 물성 비교
소맥피 함량과 폴리올레핀 수지와 촉매를 달리한 실시예 8 내지 12의 조성물이 바이오 플라스틱 필름을 제조하기에 적합한지 확인하기 위하여 소맥피를 포함하지 않는 비교예 3 및 4의 조성물과 비교하여 용융지수(MI 190, 2.16kg) 및 비중을 측정하였고 결과를 표 6에 나타내었다.
폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물의 물성
구분 비교예 3 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 비교예 4 실시예 12
MI(190, 2.16kg) 1.0 1.43 1.85 2.26 2.3 1.9 4.12
비중 0.921 1.044 1.035 1.046 1.05 0.922 1.088
표 6에서 도시된 바와 같이 용융지수(MI)는 소맥피 함량이 높아질수록 증가하는 경향을 보이고 메탈로센 촉매를 사용할 때 지글러-나타 촉매를 사용할 때에 비하여 용융지수(MI)가 고른 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실시예 8 내지 12의 조성물 모두 필름 제조에 적정한 수치를 나타내었다. 실시예 8 내지 12의 조성물 비중은 소맥피를 포함하므로 비교예 3 및 4 보다 큰 것으로 확인되나, 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱의 제조에 적정한 수치를 나타내었다.
실시예 13 및 14: 폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 제조
상기 실시예 12의 소맥피를 포함한 조성물과 지글러-나타 촉매 대신 메탈로센 촉매를 사용하여 실시예 12와 동일한 제조방법으로 소맥피를 포함한 조성물을 제조한 뒤 조성물로 펠렛을 제조하고 제조된 펠렛 20 중량%과 석유계 PE 블렌딩(blending) 80 중량%(LLDPE 70 중량% + LDPE 10중량%)를 혼합한 뒤 50㎛두께의 실시예 13(한화 3305) 및 14(LGSE1020A)의 바이오 플라스틱 필름을 제조하였다.
비교예 5: 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 포함하지 않는 필름의 제조
소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물 없이 상기 실시예 13 및 14와 동일한 제조방법으로 석유계 PE(blanding) 100 중량% (LLDPE 80 중량%, LDPE 20 중량%)를 혼합하여 비교예 5의 필름을 제조하였다.
실험예 4: 폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
실시예 13 및 14의 바이오 플라스틱 필름의 물성을 확인하기 위하여 씰링강도를 측정하였고, 그 결과를 표 7에 나타내었다.
폴리올레핀 수지에 따른 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
구분 씰링강도(kgf)
비교예 5 1.1368
실시예 13 1.0082
실시예 14 1.0315
표 7에서와 같이 실시예 13 및 14의 바이오 플라스틱 필름은 씰링강도, 찌름강도, 신장율이 비교예 5에 비하여 다소 낮으나, 필름 가공 시 적정한 수치를 나타내어 기존 플라스틱 계열 필름과 유사한 물성을 가지면서, 탄소저감이 가능한 바이오 플라스틱 필름을 제공하는 효과를 확인할 수 있다.
4. 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물과 다른 소재의 혼합에 따른 물성의 변화
실시예 15 내지 17: 다른 소재를 더 혼합한 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 제조
상기 실시예 4의 소맥피를 포함한 조성물 100중량부에 LLDPE 20중량부를 추가로 혼합하여 바이오 플라스틱 조성물을 제조하였고 상기 조성물로 펠렛을 제조하였다. 상기 펠렛 20 중량%과 석유계 PE 블렌딩(blending) 80 중량%(LLDPE 70 중량%, LDPE 10중량%)를 혼합한 뒤 50㎛두께의 실시예 15의 바이오 플라스틱 필름을 제조하였다. 동일한 제조방법으로 LLDPE 대신 LDPE 20중량부, M-PE 20중량부를 사용한 조성물로 실시예 16 및 17 바이오 플라스틱 필름을 제조하였다.
실험예 5: 다른 소재를 더 혼합한 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
실시예 15 내지 17의 바이오 플라스틱 필름의 물성을 확인하기 위하여 씰링강도, 찌름강도, 신장률을 측정하였고, 그 결과를 표 8에 나타내었다.
다른 소재를 더 혼합한 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 물성 비교
항목 실시예 15 실시예 16 실시예 17
조성 25% 소맥피 100중량부 + LLDPE 20중량부 25% 소맥피 100중량부 + LDPE 20중량부 25% 소맥피 100중량부 + M-PE 20중량부
두께(㎛) 50 50 50
인장강도(kgf, 15mm) TD 0.89 0.88 0.80
MD 0.64 0.53 0.53
신장율(%) TD 431.29 266.22 341.79
MD 416.04 532.47 324.47
씰링강도(kgf) 0.57 0.64 0.58
찌름강도(kgf) 0.14 0.11 0.12
표 8에서와 같이 실시예 15 내지 17의 바이오 플라스틱 필름은 인장강도, 씰링강도, 찌름강도, 신장율이 실시예 7에 비하여 상승한 것으로 확인되고, 조성물에 다른 소재를 혼합하여 사용할 때 조성비에 따라 물성을 변화시킬 수 있음을 확인하였다.

Claims (17)

  1. 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 계면활성제를 함유하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 및 폴리메틸펜텐 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 수지는 상기 조성물 내 40 ~ 70 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소맥피의 크기는 5~30㎛인 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 소맥피 크기의 균일도(PDI)는 2 이하임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 소맥피는 1 ~ 10% 이하의 수분 함량을 가진 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 소맥피는 10 ~ 30 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 왁스는 파라핀 왁스, 유동 파라핀 왁스, 밀납, 몰다 왁스, 칸데릴라 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스 중 선택되는 어느 하나 이상이며,
    상기 왁스는 상기 조성물 내 10 ~ 20 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 무기물 필러는 탄산칼슘, 실라카, 마이카 및 탈크로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이며,
    상기 무기물 필러는 상기 조성물 내 5 ~ 20 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 스테아린산, 미리스트산, 팔미트산, 아라키드산, 올레인산, 리놀렌산 및 경화지방산과 같은 지방산, 글리세린, 부틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 펜틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 및 솔비톨과 같은 폴리올 계열 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며,
    상기 계면활성제는 0.5 ~ 5 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 조성물은 조성물 전체 100 중량부에 대하여 10 ~ 30 중량부의 폴리올레핀계 수지를 조성물 제조 후 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물.
  12. 제 1항의 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛.
  13. 제 1항의 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 필름.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 필름은 폴리올레핀계 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 필름.
  15. 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 포함한 펠릿을 제조하는 방법에 있어서,
    1) 폴리올레핀계 수지, 소맥피, 왁스, 무기물 필러 및 계면활성제를 가열혼합하여 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 단계; 및
    2) 펠렛으로 성형하는 단계;
    를 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 소맥피는 투여 및 가열 혼합 전, 분쇄 후, 분급 미분화 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 펠렛의 제조방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제조방법으로 제조한 바이오 플라스틱 펠렛에 추가로 폴리올레핀계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 소맥피를 포함한 바이오 플라스틱 필름의 제조방법.
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