KR20200030165A

KR20200030165A - 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법

Info

Publication number: KR20200030165A
Application number: KR1020180108597A
Authority: KR
Inventors: 정채규
Original assignee: 정채규
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-20
Also published as: KR102111285B1

Abstract

본 발명은 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 농업 부산물을 이용하여 자원을 재활용할 수 있고, 생분해성 등의 물성이 뛰어나면서도 친환경적이어서 식품 용기 등을 사용될 수 있는 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 생분해성 플라스틱의 제조 방법에 의하면 기계적 강도를 포함하는 물리적 특성이 개선되고, 더욱 경제적인 방식으로 제공될 수 있다.

Description

생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법{Biodegradable plastic composition and process for preparing plastic container}

본 발명은 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 농업 부산물을 이용하여 자원을 재활용할 수 있고, 생분해성 등의 물성이 뛰어나면서도 친환경적이어서 식품 용기 등을 사용될 수 있는 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법에 관한 것이다.

환경에 대한 중요성이 대두되면서 다양한 산업 분야에 있어 환경을 오염시키지 않는 기술에 대한 개발이 필수적인 요소로 자리 잡고 있다.

생활 필수품인 플라스틱은 썩지 않아 환경오염의 주범으로 이에 대한 사용 규제가 법제화되고 있다. 이러한 사용 규제와 재활용 노력으로 플라스틱 폐기물 양이 감소되고 있으나 여전히 많은 일회용품이 편리성에 의해 사용될 수밖에 없으므로 생분해성과 같은 환경친화형 재료가 다양하게 요구되고 있는 시점이다.

최근 자연에 의해 분해되는 플라스틱에 대한 기술 개발이 활발히 진행되고 있고, 그 수요 또한 폭발적으로 증가하고 있다. 이와 관련하여, 국내외적으로 바이오 플라스틱에 대한 산업화가 활발하게 이루어지고 있다.

친환경 소재로 주목을 받고 있는 바이오 플라스틱은 기존 생분해 플라스틱의 단점으로 지적되어 온 조기 생분해 문제, 물성 저하, 낮은 가격경쟁력 및 재활용의 어려움을 극복할 수 있어 급격히 산업화가 진행되고 있다.

하지만, 바이오 플라스틱은 아직까지 그 사용범위가 제한적이다. 바이오매스의 원가상승으로 인해 기존 플라스틱 제품 대비 2~3배 가량 비싸고, 전자제품 및 산업용품 등에서 요구되는 수준의 물성, 강도를 유지하는 것 등 해결해야 할 문제가 많이 남아 있다. 또한 바이오매스 중 전분의 경우 식량자원 사용이란 문제점이 대두되어 그 사용량을 줄일 필요가 있다.

이와 관련하여, 최근 플라스틱에 볏짚, 왕겨, 톱밥 분쇄물과 함께 전분을 첨가시킨 조성물을 이용하여 제조된 1회용 플라스틱 용기 등이 개발된 바 있다. 그러나 이 경우 사출제품, 시트 및 진공성형 제품의 물성 개선에는 효과가 있지만, 얇은 박막 포장재로 사용하기 위한 필름 형태로 제작되는 경우 제조된 필름의 물리적 특성이 떨어지는 단점이 있다.

현재 알려진 생분해성 플라스틱, 바이오 플라스틱 등 친환경 플라스틱은 지방족 폴리에스테르를 주성분으로 하는 생분해성 성분에 변성전분 등과 같은 바이오매스를 이용한 생분해성 플라스틱 성형용 조성물, 압출 사출성형용 생분해성 수지 조성물 등이 있다.

그러나 이러한 제품들은 생분해 특성은 우수하나 여전히 물성이 개선되어야 하는 문제가 있고 제조 비용이 높다는 문제가 있다.

한국 등록특허 제10-1509308호(2015년03월31일) 한국 등록특허 제10-0443275호(2004년07월13일) 한국 공개특허번호 제10-2005-0007872호(2005년01월21일)

본 발명자는 위와 같은 종래 기술에 따른 문제점들이 개선되고 기계적 강도를 포함하는 물리적 특성이 개선되고, 더욱 경제적인 방식으로 제공될 수 있는 생분해성 플라스틱을 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, 후술하는 바와 같이 농업 부산물을 이용한 생분해성 플라스틱 조성물이 이와 같은 요건을 만족시킬 수 있는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서 본 발명의 목적은 생분해성 등의 물성이 뛰어나면서도 친환경적이어서 식품 용기 등을 사용될 수 있는 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 플라스틱의 제조 방법을 제공하는데에 있다.

위와 같은 본 발명의 목적은 건조 처리된 농업 부산물 분말 10~60 중량부, 전분 5~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 10~50 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 5~20 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부, 왁스 및 안료를 포함하고, 상기 분말은 150~300 메쉬의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 생분해성 플라스틱의 제조 방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 생분해성 플라스틱의 제조 방법에 의하면 생분해성과 기계적 강도를 포함하는 물리적 특성이 개선되고, 더욱 경제적인 방식으로 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱의 제조 방법에 대한 제조공정도이다.

본 발명은, 일면에 있어서, 건조 처리된 농업 부산물 분말 10~60 중량부, 전분 5~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 10~50 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 5~20 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부, 왁스 및 안료를 포함하고, 상기 분말은 150~300 메쉬의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱 조성물를 제공한다.

본 발명은, 추가의 일면에 있어서, 상기 농업 부산물은 옥수수 껍질, 콩깍지, 고구마순, 감자순, 쌀겨, 보릿겨, 대두박, 채소박, 주정박, 과일박, 볏집, 밀짚, 서숙대, 보릿대 및 버섯부산물로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 전분은 옥수수 전분, 카사바 전분, 타카오 전분, 또는 고구마 전분인 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱 조성물을 제공한다.

본 발명은, 다른 추가의 일면에 있어서, 상기 생분해성 플라스틱 조성물을 고분자 수지와 혼합하여 사출성형하여 제조된 생분해성 플라스틱 용기를 제공한다.

본 발명은, 다른 추가의 일면에 있어서,

a) 옥수수 껍질, 콩깍지, 고구마순, 감자순, 쌀겨, 보릿겨, 대두박, 채소박, 주정박, 과일박, 볏집, 밀짚, 서숙대, 보릿대 및 버섯부산물로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 농업 부산물을 150~300 메쉬의 입도로 분말로 분쇄하는 단계;

b) 분쇄된 상기 농업 부산물을 후 80~110℃에서 60분~150분 동안 건조시키는 단계;

c) 건조된 농업부산물에 왁스를 첨가하여 코팅하는 단계;

d) 왁스코팅된 농업 부산물 10~60 중량부, 전분 5~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 10~50 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 5~20 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부 및 안료를 혼합하여 펠릿용 조성물을 형성하는 단계;

e) 상기 펠릿용 조성물을 150~250℃에서 용융 압출하여 펠릿을 형성하는 단계;

f) 상기 펠릿 100 중량부를 기준으로 고분자 수지 100~1,000 중량부를 혼합하여 성형용 혼합물을 얻는 단계; 및

g) 성형용 혼합물을 사출 성형하여 생분해성 플라스틱을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물 및 이를 이용한 생분해성 플라스틱의 제조 방법에 관하여 첨부 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 주요 성분으로써 농업부산물을 재활용하여 처리함으로써 탄소 저감 효과를 갖고, 고분자 수지의 분해를 촉진시킴으로써 환경적인 부담을 줄일 수 있는 것에 주된 특징이 있으며 이는 환경친화성을 포함한 다양한 이점들을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 농업부산물과 부합되는 다양한 원재료를 탐색하여 만족할 만한 물성과 기능성을 가진 생분해성 플라스틱 조성물을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과 이루어진 것으로서 다양한 원재료 성분과 이들의 조합비, 각 성분들의 효율적인 사용량 등을 최적화한 것에 주된 특징이 있으며, 상기 본 발명에 따른 조성물의 조성비는 각각의 성분이 갖는 특성들을 오랜 연구 결과에 의해 설정한 것이며, 그 비율의 범위를 벗어나는 경우에는 타성분과의 바람직한 상용성을 나타내지 못하여 효과가 떨어질 우려가 있다.

본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물은 건조 처리된 농업 부산물 분말 10~60 중량부, 전분 5~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 10~50 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 5~20 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부, 왁스 및 안료를 포함하고, 상기 분말은 150~300 메쉬의 입도를 가지며 펠릿 형태로 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 농업 부산물은 주로 추수 후 퇴비로 이용되거나 농산물 가공 처리 후 특별한 용도 없이 폐기되는 것들을 재활용 차원에서 저렴하게 구입할 수 있는 것들을 본 발명의 생분해성 플라스틱의 원료로서 사용할 수 있으며 이들은 플라스틱을 분해하는 촉진제로서 사용될 수 있다.

이러한 농업 부산물은, 이에 제한되지 않고, 예를 들면 옥수수 껍질, 콩깍지, 고구마순, 감자순, 쌀겨, 보릿겨, 대두박, 채소박, 주정박, 과일박, 볏집, 밀짚, 서숙대, 보릿대 및 버섯부산물로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.

상기 농업 부산물은 분쇄 처리하여 건조된 분말 형태로 제공되는 것이 바람직하고, 150~300 메쉬의 입도를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 분말의 입도가 150 메쉬 이하이면 표면이 거칠어져 필름 등의 최종 제품의 품질이 나빠지며, 제품의 강도 및 신율이 나빠지게 되고, 300 메쉬를 초과하면 입자 크기가 매우 작게 되어 제품 품질은 우수하지만 분쇄 공정 시간이 너무 길게 되어 전체적인 생산성 저하 및 원가 상승에 따른 가격 경쟁력이 나빠지게 된다.

상기 농업 부산물은 생분해성 플라스틱 조성물의 전체 중량을 기준으로 10~60 중량부로 포함될 수 있고, 20~50중량부로 포함되는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 10 중량부 미만이면 생분해성이 낮아질 우려가 있고 않고 60 중량부를 초과하면 흐름성이 불량해지고 성형성이 낮아질 우려가 있고 가격이 높아져 경제성이 낮아진다.

상기 전분은 친환경 소재로서 플라스틱의 분해 및 가소화를 촉진하여 성형성과 흐름성을 개선시키는데, 이에 제한되지 않고, 옥수수 전분, 감자 전분, 고구마 전분, 카사바 전분, 타카오 전분, 또는 밀 전분을 사용할 수 있다.

전분 중량은 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 5 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 5 중량부 미만이면 전분 변성이 용이하지 않고 흐름성과 성형성이 낮아질 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면 가격이 높아져 경제성이 떨어진다.

상기 리그닌 분말은 분해보조제로서 사용되고 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 5~10중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 리그닌 분말이 10 중량부 미만이면 생분해성, 흐름성이 낮아질 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면 성형성이 떨어질 우려가 있다.

상기 황산알루미늄은 마찬가지로 분해보조제로 사용되는 것으로서, 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 5~10 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 점토 분말은 층상구조로 우수한 흡습성을 가지며, 이에 따라 본 발명의 생분해성 플라스틱 조성물로 제조된 성형물이 수용액 중에서도 우수하게 분해될 수 있도록 하는 작용을 한다. 점토 분말은 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 0.5~2 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 점토 분말이 0.5 중량부 미만이면 생분해성이 낮아질 우려가 있고, 2 중량부를 초과하면 플라스틱의 인장강도, 연신율이 저하될 우려가 있다.

상기 폴리유산은 생분해성 고분자로서 바인더의 기능을 한다. 폴리 유산은 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 10~50 중량부로 포함될 수 있고, 15~45 중량부로 포함되는 것이 더욱 바람직하다. 10 중량부 미만으로 사용될 경우 생분해 효과가 미비할 수 있고, 50 중량부 이상으로 사용될 경우 내구성이 저하될 우려가 있다.

상기 카르복시메틸셀룰로오스는 바인더 역할을 수행하며, 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 3~7 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 3 중량부 미만으로 사용될 경우 생분해 효과가 미비할 수 있고, 7 중량부 이상으로 사용될 경우 생분해성 펠릿이 약해지거나 깨어지는 등 내구성이 저하될 수 있다.

상기 폴리비닐알코올은 바인더로서 작용하며 농업부산물과의 이형성을 제거하여 서로 잘 섞이도록 상용성을 부여하기 위한 성분으로서, 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 5~20 중량부로 포함될 수 있고, 7~13 중량부로 포함되는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 5 중량부 이하에서는 강도 및 상용성이 약할 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면 생분해성이 떨어질 우려가 있다.

상기 젤라틴, 솔비톨 및 탄산나트륨은 왁스로 코팅된 농업부산물 분말의 효율적인 산화 및 가소화를 위하여 사용되는 성분으로 전체 생분해성 조성물 100 중량부에 대하여 2 중량부 이상이 사용될 수 있고, 2 중량부를 초과하여 사용하는 경우 가공 과정에서 농업부산물이 탄화되거나 물성이 저하되는 문제점이 따를 수 있다.

젤라틴은 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 1~5중량부, 솔비톨은 0.5~3 중량부 그리고 탄산나트륨은 0.5~3 중량부로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 탄산칼슘은 구성 성분의 원활한 혼합과 분산을 위한 분산제로 작용하며, 생분해성 플라스틱 조성물의 중량을 기준으로 0.5~3 중량부으로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 분산제가 0.5 중량부 미만으로 사용되면 분산 효과가 미미하게 나타나고, 3 중량부를 초과하면 환경 오염, 인체 유해성기준치 초과의 우려가 있다.

상기 이산화티탄은 고분자 물질의 분해를 가속화하고 열분해 및 광분해를 촉진하기 위하여 산화제로서 함량은 상기 생분해성 플라스틱 조성물 중량을 기준으로 0.2 중량부 이상 2 중량부 이하로 포함되는 것이 좋다. 0.2 중량부 이하이면 플라스틱 수지 등의 고분자 물질의 산화 분해 기능이 약하게 되고, 2 중량부를 초과하여 이상 사용하는 경우 제품생산 시 제품이 물성이 저하되고 생산성이 나빠지는 문제점이 있다.

상기 왁스는 농업부산물의 탄화를 막고, 생산성을 증진시키기 위하여 사용된다. 왁스는 저분자량이면서 융점이 낮은 장점이 있어 압출기를 이용하여 첨가제를 제조할 때 활제 보조제로서의 기능도 함께 수행할 수 있으며, 저분자 물질로 생분해 가능하다는 장점도 있다.

왁스는 에틸렌비스스테아라미드(EBS), 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 계열 왁스(P-WAX), 엘씨 왁스, 파라핀 왁스, 유동 파라핀 왁스, 밀납, 몰다 왁스, 이멀시파잉 왁스, 칸데릴라 왁스, PE 왁스, PP 왁스 등이 사용될 수 있다.

왁스는 상기 생분해성 플라스틱 조성물 중량을 기준으로 1~5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 1중량부 미만으로 사용시 코팅기능 및 활제 보조제 역할이 미약하고, 5 중량부 이상 사용시 이물질 등 찌꺼기 발생하고, 원가가 상승하는 단점이 있다. 왁스를 많이 사용하면 내수성을 위한 코팅은 우수하나, 나중에 사출, 압출, 필름 생산 등에서 생산설비 다이스에 찌꺼기가 발생되어 생산성이 낮아질 우려가 있다.

안료는 필요에 따라 통상의 성분을 선택하여 사용할 수 있다.

상기 농업부산물, 점토 분말, 전분, 리그닌을 포함하는 원료들은 마찬가지로 150~300 메쉬의 입도를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 추가의 일면에 있어서 생분해성 플라스틱의 제조 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱의 제조 방법에 대한 제조공정도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱의 제조 방법은 크게 농업부산물의 분말화 단계, 건조 단계, 왁스코팅 단계, 혼합 단계, 용융 압출 단계, 고분자 수지 혼합 단계 및 사출 성형 단계를 포함하여 이루어진다.

이하 개별 단계에 관련하여 상세히 설명한다.

a) 분말화 단계

옥수수 껍질, 콩깍지, 고구마순, 감자순, 쌀겨, 보릿겨, 대두박, 채소박, 주정박, 과일박, 볏집, 밀짚, 서숙대, 보릿대 및 버섯부산물로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 농업 부산물을 분말화하는 단계로서, 150~300 메쉬의 입도로 분쇄하는 것이 바람직할 수 있다. 150 메쉬 미만인 경우에는 입자 크기가 너무 커서 펠릿 생산시 흐름성이 나빠 생산성이 떨어지고, 표면이 거칠어져 필름 등의 최종 제품의 품질이 나빠지며, 제품의 강도 및 신율이 나빠지게 되고, 300메쉬를 초과하면 입자 크기가 매우 작게 되어 제품 품질은 우수하지만 분쇄 공정 시간이 너무 길게 되어 전체적인 생산성 저하 및 원가 상승에 따른 가격 경쟁력이 나빠지게 된다.

b) 건조 단계

농업 부산물을 80~110℃에서 60분~150분 동안 건조시켜 함수율이 3% 이하가 되도록 한다.

건조는 통상의 건조 장치를 이용하여 80도 내지 110℃에서 가열 및 교반하면서 60분 내지 150분 동안 건조하여 수분 함량을 3% 이하로 건조한다. 건조 온도가 80℃ 미만이면 충분한 건조가 되지 않거나 건조 시간이 오래 걸리는 문제가 있고, 110℃를 초과하면 농업부산물 분말이 탄화할 가능성이 높아지는 문제가 있어 제품의 질이 나빠진다. 건조 시간이 60시간 미만이면 건조가 충분하지 못하여 완제품을 적용하여 제품을 생산할 때 수분문제에 의해 제품 품질이 나쁘게 되는 문제가 있고, 150분을 초과하는 경우 추가적인 건조 효과 없이 에너지만 낭비되는 문제가 있다.

c) 왁스 코팅 단계

상기 가열 건조된 농업부산물 분말에 왁스를 투입하고 교반속도 300 내지 800 RPM으로 교반하여 왁스 코팅된 농업부산물 분말을 생성한다.

d) 혼합 단계

상기 코팅된 농업 부산물 10~60 중량부, 전분 5~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 10~50 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 5~20 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부 및 안료를 혼합하여 펠릿용 조성물을 형성한다.

혼합 단계에서는 먼저 농업부산물, 전분, 리그닌 및 점토를 먼저 혼합한 후, 이어서 나머지 성분들을 혼합하는 것이 바람직하고, 믹서 등으로 100 ~ 300 rpm의 속도로 혼합하는 것이 바람직하다.

e) 용융 압출 단계

상기 펠릿용 조성물을 150~250℃에서 용융 압출하여 플라스틱 펠릿을 형성하는 단계로서, 먼저 성형용 혼합물을 믹서에서 150~250℃에서 용융시켜 혼련시키고 분산 니더에서 용융 및 분산시켜 잔류 수분을 1% 이하로 조절하고 휘발분 가스를 제거한다. 그리고 이를 이축 압출기를 이용하여 펠릿 등의 형태로 제조할 수 있다.

압출은 이축 압출기 등에서 150 내지 250℃의 온도에서 스크류 회전속도 300 내지 800rpm으로 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 반응 온도 150℃ 이하에서는 첨가한 원료들이 녹지 않아 반응이 잘 일어나지 않을 우려가 있고, 250℃ 이상이면 탄화가 일어나거나, 온도가 너무 높아 수지가 물처럼 녹아내려 펠릿 형상으로 만들기가 곤란하다. 또한 스크류 회전속도가 300rpm 이하이면 생산성이 나쁠 뿐만 아니라 충분한 혼합, 반응이 어렵고, 800rpm 이상이면 스크류 내부 압력이 상승하고 압력에 의한 온도상승으로 농업 부산물의 탄화가 심화된다.

f) 고분자 수지 혼합 단계

상기 펠릿 100 중량부를 기준으로 고분자 수지 100~1,000 중량부를 혼합하여 성형용 혼합물을 얻는 단계로서, 상기 플라스틱 조성물은 상기 고분자 수지를 사용 목적에 따라 폴리에틸렌, 폴리프로필레, 폴리스틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 사출성형한다.

상기 펠릿과 상기 플라스틱 수지의 배합비율은 큰 제한이 없으나, 바람직하게 상기 펠릿은 플라스틱 수지 100중량부에 대하여 100 내지 1,000중량부로 첨가할 수 있다. 상기 펠릿의 첨가량이 100 중량부 미만인 경우 제조된 사출품 생산이 어려울 수 있고, 또한 사출품을 생산하여도 초기 인장강도와 신장율 등의 물성이 떨어지는 문제가 있고, 1,000 중량부 이상으로 첨가될 경우 제조된 사출품의 분해성이 떨어질 우려가 있다.

g) 사출 성형 단계

성형용 혼합물을 사출 성형하여 생분해성 플라스틱을 얻는 단계로서, 상기 제조된 펠릿과 고분자 수지를 혼합한 후 사출 성형하여 생분해성 플라스틱을 제조한다.

한편, 사출 조건은 일반 PP 100%인 경우에는 사출 온도 240에서 사출압력 30bar 정도면 타당하나, 생분해성 조성물 30 중량%와 일반 PP 70 중량%를 혼합하는 경우, 사출 온도 240에 사출 압력은 65bar 정도로 높은 것이 좋다. 온도는 별 차이가 없지만 흐름성(MI, Melt Index)이 떨어지기 때문에 사출 압력을 높여주어야 성형성이 우수하다.

상기 펠릿과 고분자 수지의 배합은 통상의 호퍼를 포함하는 사출기에서 이루어지며, 제조되는 생분해성 플라스틱 사출품에 칼라를 부여하고자 하는 경우 호퍼에 염료나 안료를 함께 투입한 후 사출할 수 있으며, 그 함량은 원하는 색상 구현에 따라 적절히 조절하여 투입할 수 있다.

본 발명에 따른 생분해성 플라스틱(펠릿) 조성물과 고분자 수지로부터 제조된 생분해성 플라스틱은 우수한 인장 강도와 신장률을 가지면서도 자연 분해가 가능하여 환경오염 및 환경호르몬 발생 등의 문제점을 해결할 수 있고, 생분해성이 요구되는 다양한 분야에 적용될 수 있다.

이러한 사출성형 플라스틱은 이 분야에 공지된 성형 방법에 의하여 시트 형상으로 제조될 수 있고, 이와 같이 제조된 생분해성 시트는 일회용 컵, 빨대, 식기, 젓가락, 도시락 용기 등의 일회용품 뿐만 아니라, 그 밖에 식품포장재, 산업용 필름, 자동차 내장재 등과 같이 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1~6: 생분해성 플라스틱의 제조

옥수수대 100 Kg과 쌀겨 100 Kg을 200 메쉬로 각각 분쇄하여 분말로 형성한 다음, 100℃에서 60분 동안 건조시켰다. 건조 분말에 엘씨 왁스 102N(라이온케미칼 제품) 2 Kg을 투입하여 300rpm으로 고속 교반하여 농업 부산물 분말 표면을 코팅하였다. 이어서 왁스코팅된 농업 부산물과 다음의 표 1에 나타낸 첨가물을 고속 교반기에 투입한 후 400rpm으로 교반하여 펠릿용 조성물을 형성하였다.

상기 펠릿용 조성물을 이축 압출기로 이송시켜 170℃에서 용융시키고 압출한 다음 냉각한 후 일정 크기로 절단하여 생분해성 펠릿을 제조하였다.

상기 생분해성 펠릿 100kg에 폴리프로필렌 수지(호남석유화학 제품) 250 Kg을 혼합하여 성형용 혼합물을 얻고 이를 사출 성형하여 생분해성 플라스틱을 얻었다.

성분	함량(Kg)
성분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6	비교예
옥수수대	5	20	10	25	35	20	-
쌀겨	5	20	25	-	25	30	60
왁스	5	4	3	3	2	1	10
감자전분	14	17	15	15	20	5	-
리그닌	10	8	7	6	8	5	3
점토	0.5	2	1	1	2	2	5
황산알루미늄	5	6	7	8	5	10	-
폴리유산	50	30	37	50	10	43	18
CMC	7	5	5	5	3	3	-
PVA	20	12	12	7	8	5	5
젤라틴	5	3.8	3.5	3	2	1	15
솔비톨	0.5	0.7	0.9	2	3	3	5
탄산나트륨	0.5	0.7	1.5	2	3	3	5
탄산칼슘	0.5	0.7	2	2	3	3	2.5
이산화티탄	2	0.1	0.1	1	1	1	2.5
안료	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
합계	116.1	130.1	130.1	130.1	130.1	130.1	130.1

시험예 1: 인장강도와 신장률 평가

상기 실시예 1~6에서 제조된 사출성형품에 대하여 ASTM D 3826 방법에 따라서 25 x 10²mm로 재단된 샘플에 대해서 인장 강도 및 신율을 측정하였다. 사출성형품 샘플수는 측정 오차를 감소시키기 위해 각 측정 항목당 10회씩 측정하여 최고 및 최소값을 제외한 평균값을 취하였다. Load cell은 50kg을 사용하였고UTM(Universal Testing Machine, Daekyung Tech, Korea)기계를 사용하였고, 기계의 인장 속도는 50mm/min으로 설정하여 실험을 진행하였고, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.

시험항목	인장강도	신장율%)
PP제품	295	205
실시예1	275	176
실시예 2	280	185
실시예 3	278	197
실시예 4	276	200
실시예 5	292	192
실시예 6	275	185
비교예	236	165

상기 표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱은 인장강도 및 신장율이 기존 제품(PP 사용, 인장강도 295, 신장율 205%)과 전반적으로 유사함을 알 수 있다. 비교예 제품은 인장 강도 및 신장율이 기존 제품이나 본 발명의 실시예의 제품에 비하여 떨어짐을 알 수 있다.

실험예 2: 분자량 감소 평가

상기 실시예 및 비교예에 따른 플라스틱 샘플의 분자량 변화를 측정하였다. 분자량 평가는 ASTM D 6954 Tier 1의 방식에 따라 방사조도 340nm, 온도 50℃에서 400시간 동안 진행하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 분자량 5,000 Da 이하가 평가 기준점이다.

시험항목	시간(300 hr)	시간(400 hr))
실시예1	4,580	3,300
실시예 2	4,950	3,250
실시예 3	4,230	3,830
실시예 4	4,550	3,650
실시예 5	4,820	3,520
실시예 6	4,260	3,360
비교예	18,250	17,500

실험 결과, 실시예의 제품은 300시간 후에 4,000 Da 대의 분자량에 진입하였다. 이에 비하여 비교예의 제품은 분자량의 감소가 현저히 느린 것이 확인되었다.

따라서, 실시예의 제품은 성형품으로 생산되기에 적합한 물성을 가지면서, 이 분야에 공지된 생분해성 플라스틱에 비해 우수한 생분해성을 가지는 것에 의하여 생분해성 플라스틱으로 사용되기에 적절한 조성임을 알 수 있다.

시험예 3: 생분해성 평가

표준물질인 셀룰로오스와 상기 실시예 및 비교예로부터 생분해성 플라스틱 시트의 생분해성을 평가하기 위하여 ASTM D6954-04에 의거하여 시험을 진행하였다. 분해성 평가는 3 단계로 구분될 수 있고, 1 단계에서는 ASTM D5208-01 CYCLE A방법으로 UVA 340 nm로 100 시간 동안 처리하여 화학적으로 분해시킨 후, UV처리된 시료의 생분해도를 KSM-3100-1의 방법으로 측정하였다. ASTM D6954-04 방법에 의한 45일간의 생분해성 시험의 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

시험항목	생분해도(%)
대조군	78.1
실시예1	52.2
실시예 2	63.3
실시예 3	65.5
실시예 4	62.7
실시예 5	52.9
실시예 6	53.2
비교예	89.2

실험 결과, 표준물질인 셀룰로오스의 이산화탄소 방출량에 의하여 계산된 평균 생분해도는 78.1%로 나타났고, 본 발명에 따른 실시예로부터 제조된 샘플 시트의 이산화탄소 방출량에 의하여 계산된 평균 생분해도는 52,2~65.5로 나타났으며 비교예의 것은 89.2%로 나타났다.

시험예 4: 광분해성 평가시험

광분해성은 ASTM D15 자외선 처리시험 방법에 따라 자외선 처리시험기(QUV Accelerated Weathering Tester)를 이용하여 200시간 동안 자외선을 조사한 후, 샘플의 인장강도 및 신도 증감율을 측정함으로써 이루어졌다. 이때 자외선(UV) 램프의 종류는 UVB 313, 광량(Irradiance)은 060w/nf(310)이었고 그 결과는 하기 표 5와 같다.

시험항목	강도보유율(5)	신도보유율(%)
PP제품	96.5	96.8
실시예1	2.5	2.7
실시예 2	3.5	2.5
실시예 3	2.3	2.3
실시예 4	2.7	2.8
실시예 5	2.9	3.6
실시예 6	3.2	2.4
비교예	65.3	70.2

상기 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 PP 제품은 자외선 조사 후에도 강도 보유율 및 신도 보유율이 거의 감소되지 않음에 비하여, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱의 사출성형품은 강도 보유율 및 신도 보유율은 현격히 감소되었다. 즉, 본 발명의 사출성형품은 자외선 등의 빛에 의하여 자연 상태에서 상당한 정도로 분해될 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면 및 명세서를 통하여 발명의 바람직한 실시형태를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형 및 균등한 실시가 가능함은 자명하다.

Claims

건조 처리된 농업 부산물 분말 10~60 중량부, 전분 2~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 10~50 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 5~20 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부, 왁스 및 안료를 포함하고, 상기 분말은 150~300 메쉬의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 농업 부산물은 옥수수 껍질, 콩깍지, 고구마순, 감자순, 쌀겨, 보릿겨, 대두박, 채소박, 주정박, 과일박, 볏집, 밀짚, 서숙대, 보릿대 및 버섯부산물로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 전분은 옥수수 전분, 카사바 전분, 타카오 전분, 또는 고구마 전분인 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱 조성물.
a) 옥수수 껍질, 콩깍지, 고구마순, 감자순, 쌀겨, 보릿겨, 대두박, 채소박, 주정박, 과일박, 볏집, 밀짚, 서숙대, 보릿대 및 버섯부산물로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 농업 부산물을 150~300 메쉬의 입도로 분말로 분쇄하는 단계;
b) 분쇄된 상기 농업 부산물을 후 80~110℃에서 60분~150분 동안 건조시키는 단계;
c) 건조된 농업부산물에 왁스를 첨가하여 코팅하는 단계;
d) 왁스코팅된 농업 부산물 20~50 중량부, 전분 10~20 중량부, 리그닌 분말 5~10중량부, 점토 분말 0.5~2 중량부, 황산알루미늄 5~10 중량부, 폴리유산 15~45 중량부, 카르복시메틸셀룰로오스 3~7 중량부, 폴리비닐알코올 7~13 중량부, 젤라틴 1~5중량부, 솔비톨 0.5~3 중량부, 탄산나트륨 0.5~3 중량부, 탄산칼슘 0.5~3 중량부, 이산화티탄 0.1~2 중량부 및 안료를 혼합하여 펠릿용 조성물을 형성하는 단계;
e) 상기 펠릿용 조성물을 150~250℃에서 용융 압출하여 펠릿을 형성하는 단계;
f) 상기 펠릿 100 중량부를 기준으로 고분자 수지 100~1,000 중량부를 혼합하여 성형용 혼합물을 얻는 단계; 및
g) 성형용 혼합물을 사출 성형하여 생분해성 플라스틱을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱의 제조 방법.
제3항에 따른 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 생분해성 플라스틱 용기.