KR20220072907A - 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법 - Google Patents

생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법은, 대나무 및 사탕수수 섬유 조직을 분쇄 및 혼합하여 식물성 혼합물 제조 단계(S110)와, 상기 식물성 혼합물에 용수 및 레반(LEVAN)을 혼합하는 레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120);와 상기 원재료 용액의 섬유 조직이 흡착되는 성형부 및 상기 흡착된 섬유 조직을 열압착하여 일회용 용기의 초기 제품을 제작하는 열압착부를 포함하는 성형기에서 열압착 공정을 통한 초기 제품 제작 단계(S130);와 상기 일회용 용기의 초기 제품의 표면을 PLA 필름으로 고온 압착 코팅하는 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140); 그리고 상기 초기 제품에서 상기 일회용 용기들을 커팅하여 분리하여 최종 제품을 생산하는 커팅 공정을 통한 최종 제품 제작 단계(S150)를 포함한다.

Description

생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법{Manufacturing method of pulp container using biodegradable biopolymer}
본 발명은 일회용 펄프 용기의 제조방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 친환경 생분해성 바이오 고분자를 이용하여 높은 방수성과 내구성을 갖는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 과거와 달리 현대인의 식문화에서 간편하게 제조 및 섭취가 가능한 패스트푸드가 차지하는 부분이 커짐에 따라 다양한 종류의 일회용 용기가 사용되고 있다. 특히, 전자렌지를 사용하여 데워 먹을 수 있는 레토르트 식품의 판매 및 수요가 증가함에 따라 편의점 및 마트를 중심으로 일회용 용기를 사용하는 경우가 상당히 증가하였다.
이러한 패스트푸드나 레토르트 식품에 사용되는 종래의 일회용 용기는 폴리아크릴(PA), 에틸렌비닐알코올(EVOH), 폴리프로필렌(PP) 등의 합성수지를 이용하여 제조 및 코팅하여 사용하고 있다. 합성수지재 용기는 성형방법이 용이하고 내수성, 포장성 등이 우수하여 다양한 분야에 널리 사용되고 있지만, 사용 후 분해성이 거의 없으며 소각 시 대기오염을 초래하는 각종 유독 가스를 발생하여 세계적으로 그 사용을 억제하거나 금지해 가는 추세이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 친환경 펄프를 이용한 친환경 펄프몰드 용기에 대한 연구가 있었으나, 펄프몰드 용기는 일반적으로 친수성에 의해서 쉽게 수분에 침적되어 수분 등이 있는 식품 용기 등으로는 사용이 어려워서 수분이나 물이 있는 곳, 기름들이 있는 곳 등에서의 사용 용도가 크게 제약을 받고 있다.
한국공개특허 제 10-2018-0045753호(공개일: 2018.05.04.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제조가 용이하고 가격이 저렴하고, 쉽게 구할 수 있으며, 사용 후 분해가 잘되어 환경오염을 효과적으로 방지할 수 있도록 하는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법은, 대나무 및 사탕수수 섬유 조직을 분쇄 및 혼합하여 식물성 혼합물 제조 단계(S110);와 상기 식물성 혼합물에 용수 및 레반(LEVAN)을 혼합하는 레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120);와 상기 원재료 용액의 섬유 조직이 흡착되는 성형부 및 상기 흡착된 섬유 조직을 열압착하여 일회용 용기의 초기 제품을 제작하는 열압착부를 포함하는 성형기에서 열압착 공정을 통한 초기 제품 제작 단계(S130);와 상기 일회용 용기의 초기 제품의 표면을 PLA 필름으로 고온 압착 코팅하는 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140); 그리고 상기 초기 제품에서 상기 일회용 용기들을 커팅하여 분리하여 최종 제품을 생산하는 커팅 공정을 통한 최종 제품 제작 단계(S150)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 식물성 혼합물 제조 단계(S110)에서 대나무와 사탕수수로 이루어진 펄프 원료에 강습제와 싸이징제가 더 첨가될 수 있다.
또한, 레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120)에서 상기 레반은 원재료 용액에 대하여 0.5중량% 내지 2중량%의 첨가량을 가질 수 있다.
또한, 상기 레반의 분자량은 30만 이상 300만 이하일 수 있다.
또한, 상기 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140)는 PLA 필름을 상기 일회용 용기의 초기 제품에 열압착하여 합지하여 PLA 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명은 대나무와 사탕수수를 주 성분으로 하는 셀룰로오스를 사용하여 펄프 용기를 제작하되 미생물 합성 고분자인 레반을 소량 첨가하여, 용기의 내구성 증대 및 PLA 코팅층의 접착력을 향상시킬 수 있는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법의 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법(S100)은 식물성 혼합물 제조 단계(S110), 레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120), 열압착 공정을 통한 초기 제품 제작 단계(S130), 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140), 그리고 커팅 공정을 통한 최종 제품 제작 단계(S150)를 포함할 수 있다.
식물성 혼합물 제조 단계(S110)는 대나무, 사탕수수를 원료로 하는 친환경 섬유의 분쇄물과 첨가제를 혼합하여 친환경 일회용 용기를 제조하기 위한 원재료가 되는 혼합물을 제조한다. 본 실시예의 식물성 혼합물 제조 단계(S110)에서, 대나무와 사탕수수는 5:5 비율로 분쇄 탱크에 투입되어 분쇄된다. 또한 식물성 혼합물 제조 단계(S110)에서 분쇄물과 혼합되는 첨가제는 일반지력증강제와 싸이징제를 포함할 수 있다
레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120)는 보관 탱크에 보관되는 원액 상태의 식물성 혼합물에 용수를 혼입하여 희석된 원재료 용액을 제조할 수 있다. 여기서 사용되는 용수는 일반적 수돗물이나 정화된 정화수 등이 사용될 수 있으며, 용수에 의해 희석된 원재료 용액은 원재료 비율 3% 이하의 수준을 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 원재료 용액을 사용한 제품의 성형 작업 시 제품 표면의 품질 향상 및 원재료 입도 크기 균일성 유지를 위해 원재료 용액의 추가 믹싱 작업이 수행될 수 있다.
이에 더하여 본 실시예의 레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120)에서는 PLA 코팅제와의 접착력 향상을 위해 LEVAN 물질을 더 첨가할 수 있다. LEVAN은 미생물 발효고분자이며, 대량생산이 가능하고, 그 분자의 구조가 천연펄프 구조와 유사하며, 분자량이 수십만에서 수백만 이상으로서 수용성인 특징을 가지고 있다. LEVAN은 물에 잘 녹으며, 건조 시에는 접착제로서의 접착력이 우수하고, 건조 시에는 그 강도가 매우 강한 특성을 가지고 있다. 본 실시예에서 사용되는 LEVAN은 설탕을 미생물 효소에 의해 합성하여 제조된 것을 사용하되 혼합물 용액에 소량 투입하여 용기의 강도 증가 및 용기와 PLA 코팅층의 접착력을 향상시킬 수 있다. 혼합물 용액에 투입되는 레반(LEVAN)은 0.5 내지 2 중량 퍼센트로 투입될 수 있으며, 레반의 수용성 특이성에 의해 셀룰로오스와 결합이 용이할 수 있다. 이때 첨가되는 레반의 분자량은 30만 이상 300만 이하가 되는 것이 바람직할 수 있다.
[레반의 구조]
Figure pat00001
열압착 공정을 통한 초기 제품 제작 단계(S130)는 원재료 용액을 성형기에 공급하고 성형기에 흡취된 원재료를 열압착하여 친환경 일회용 용기의 초기 제품을 제작한다. 용수에 의해 희석되고 다양한 첨가제 또는 첨가물이 혼입되어 마련된 원재료 용액에는 대나무 및 사탕수수의 미세 섬유 조직들(원재료)이 부유하게 되며, 이러한 미세 섬유 조직들이 성형기에서 압착됨에 따라 일회용 용기가 제작되게 된다. 이를 위해 성형기는 원재료 용액에 침수되며 원재료가 일정 두께로 흡취(흡착)되는 성형부 및 성형부의 원재료를 열압착하여 일회용 용기의 초기 제품을 제작하는 열압착부를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예의 성형기는 배관을 통해 전달되는 원재료 용액을 내부에 보관하되 일정 시간의 경과 후 원재료 용액을 배출하여 순환하게 되며, 원재료 용액에 성형부를 침수시켜 하부 성형틀의 표면에 원재료(섬유 조직)를 흡착시킨다. 이를 위해 하부 성형틀은 원재료가 흡착되는 부위에 물을 흡수하는 미세 흡수 구멍이 복수 형성되고, 이 미세 흡수 구멍을 통해 흡수된 물은 성형부의 배수관으로 전달되어 성형부의 외부로 배출되게 된다. 즉, 성형부는 최종 제품인 일회용 용기의 형상에 대응하며 원재료 용액의 원재료(섬유 조직)가 흡착되는 성형공간이 하부 성형틀에 형성되며, 이 성형공간에 섬유조직들이 흡착되게 된다. 즉, 성형기에 채워진 용수 내에 성형부가 침수되고 수분을 흡수하면 용수에 혼합되어 있던 원재료는 하부 성형틀의 표면에 제조하고자 하는 형상으로 달라 붙는다. 이 때의 흡착되는 원재료의 성형 두께는 최종 제품 두께의 2.5~3배가 적당하다. 더불어 본 실시예의 성형부는 원재료가 하부 성형틀의 표면상에 고르게 흡취될 수 있도록 #100~150 사이즈의 메쉬망이 하부 성형틀에 더 구비될 수 있다. 이러한 메쉬망은 하부 성형틀의 표면에 단순 부착될 수 있으나, 접착 정밀도 향상을 위해 스팟 용접으로 결합될 수도 있다.
열압착부는 성형부의 성형공간에 흡착된 소정 두께의 원재료인 섬유 조직을 일정 압력으로 압박함과 동시에 가열하여 일회용 용기의 초기 제품을 제작한다. 이를 위해 본 실시예의 열압착부는 하부 성형틀에 대응하며 하부 성형틀을 상방향에서 압박하도록 승강되는 상부 성형틀과 이 상부 성형틀을 공압으로 승강시키는 공압 액추에이터, 상부 성형틀에 일정 수준의 열을 공급하여 가압되는 원재료를 가열하기 위한 열선을 포함할 수 있다. 섬유 조직인 원재료를 가열하는 온도가 과도하게 높게 되면 초기 제품(일회용 용기)의 표면 변색이 일어나게 되고 압력 조건이 맞지 않으면 미성형 또는 제품 표면의 크랙이 발생할 수 있는바, 열압착부의 가열 및 가압 공정분위기는 매우 정밀하게 제어될 필요가 있다. 본 실시예의 열압착부는 원재료를 130~170도, 60~180초 범위에서 가압할 수 있다.
초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140)는 열압착 공정을 통한 초기 제품 제작 단계(S130)에서 제작된 초기 제품에 기능성을 부여하기 위하여 일회용 용기의 초기 제품의 외부를 코팅하게 된다. 즉, 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140)에서 PLA 코팅층이 초기 제품에 더 부가될 수 있다. PLA(Poly Lactic Acid)는 옥수수 전분을 분해해서 포도당을 만들고 이를 발효법으로 젖산균으로 변화시켜 화학중합법을 통해 얻어지는 생분해성 플라스틱 코팅제이다. 이러한 PLA로 제작된 코팅층은 자연에서 미생물에 의해 용이하게 분해 가능하지만 최대 260°C의 환경에서도 녹지 않아 고온 환경 및 전자렌지에서도 사용 가능한 효과를 가질 수 있다. 이러한 PLA로 제작된 PLA 필름을 일회용 용기의 초기 제품에 합지함으로써 일회용 용기의 기능성을 부가할 수 있다. 이를 위해 일회용 용기의 초기 제품의 형상에 대응하는 압착 지그가 더 구비될 수 있다. 압착 지그는 하부 지그와 상부 지그로 구비되며 하부 지그에 일회용 용기의 초기 제품이 안착된 후 초기 제품과 상부 지그 사이에 PLA 필름이 배치된 후 상부 지그로 PLA 필름과 일회용 용기를 고온(400도~600도)에서 압착함으로써 일회용 용기의 초기 제품에 PLA 코팅층을 더 형성할 수 있다. PLA 코팅층이 열압착 코팅된 일회용 용기의 초기 제품은 실온 상태에서 6~24시간 자연 건조된다.
커팅 공정을 통한 최종 제품 제작 단계(S150)는 자연 건조가 완료된 일회용 용기의 초기 제품에서 일회용 용기 부분만을 커팅하여 최종 제품인 친환경 일회용 용기를 제품화한다.
상술한 구성을 갖는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법(S110)에 따라 펄프몰드 용기의 원재료 용액은 소량의 레반이 첨가되어 있어 PLA 코팅층과의 접착력이 향상될 수 있다.
[실험 1]
장섬유와 단섬유(대나무 및 사탕수수)로 이루어진 펄프원료(96%)에 강습제와 싸이징제를 각각 2%씩 첨가하여 물에 용해하여 제조된 기본 펄프 원료를 제조하였다(종래의 펄프 원료). 이 원료에 사용된 물의 양에 대하여 0.5중량%의 레반(분자량 평균 150만)을 넣고서 충분히 교반을 하여 신규 펄프 원료(레반첨가 펄프 원료)를 제조하였다. 제조된 종래의 펄프 원료와 레반첨가 펄프 원료를 이용하여, 건식 방법의 금형을 사용하여 각각 크기 A5싸이즈(148mm x 210mm), 두께 1mm의 시편을 제작하였다. 종래 펄프 시편과 레반첨가 시편을 넓이 1cm, 길이 5cm의 길이로 제작하여, 인장강도 테스트를 한 결과 종래 펄프 시편의 인장강도 100에 대하여 레반첨가 시편의 인장강도는 115의 상대 강도로 측정되었다. 즉, 레반을 첨가함으로써 펄프몰드 용기의 내구성이 향상됨을 확인할 수 있다.
[실험 2]
PLA 코팅층의 접착력 테스트를 위하여 종래의 펄프 원료와 레반첨가 펄프 원료의 각각의 표면에 PLA 필름을 고온 고압에서 압착하여 코팅을 하였다. PLA가 코팅된 시편을 넓이 5cm, 길이 10cm의 측정용 시편을 만들었다. 인장강도기를 이용하여 PLA 코팅층의 박리강도를 측정한 결과 종래 펄프 보다 20% 접착강도가 증가되었다.
[실험 3]
레반의 첨가량을 펄프 원료 중 물의 중량에 대하여 1중량%, 2중량%, 또는 0.5중량% 이하에서 중량 변화에 따른 실험을 한 결과 2중량% 이상에서는 레반의 수분 함량이 큰 성질에 의하여 일종의 점증제 효과로서 펄프 가죽과 같은 상태로 변하여 펄프금형을 이용한 용기의 제작에 어려움이 있고, 많은 수분의 함수로 인하여 고온 압출 후에도 수분이 남아있어서 펄프 용기의 제작에 방해가 되는 것으로 나타났다. 따라서 레반의 함량은 적게는 0.2중량%에서 많게는 2중량% 이하에서 사용하는 것이 바람직한 것으로 평가되었다.
상술한 구성을 갖는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법(S110)에 따라 제조된 친환경 일회용 용기는 대나무와 사탕수수를 원재료로 하여 제조되고 그 표면이 생분해성 PLA 코팅층으로 코팅됨에 따라, 자연 상태에서 미생물에 의해 완전 분해가 가능한 반면 환경을 오염시키지 않는 친환경 제품일 수 있다. 또한 친환경 일회용 용기의 제조방법(S100)은, PA, EVOH, PP 등을 사용하여 대량 생산이 가능하였던 기존 석유화학물질 기반의 일회용 용기의 제조방법과 비교하여, 식물성 섬유 조직을 수용액에 혼합하고 성형틀로 찍어내어 친환경 일회용 용기를 제작하였는 바, 규격성과 양산성을 만족시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 대나무 및 사탕수수 섬유 조직을 분쇄 및 혼합하여 식물성 혼합물 제조 단계(S110);
    상기 식물성 혼합물에 용수 및 레반(LEVAN)을 혼합하는 레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120);
    상기 원재료 용액의 섬유 조직이 흡착되는 성형부 및 상기 흡착된 섬유 조직을 열압착하여 일회용 용기의 초기 제품을 제작하는 열압착부를 포함하는 성형기에서 열압착 공정을 통한 초기 제품 제작 단계(S130);
    상기 일회용 용기의 초기 제품의 표면을 PLA 필름으로 고온 압착 코팅하는 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140); 그리고
    상기 초기 제품에서 상기 일회용 용기들을 커팅하여 분리하여 최종 제품을 생산하는 커팅 공정을 통한 최종 제품 제작 단계(S150)를 포함하는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 식물성 혼합물 제조 단계(S110)에서 대나무와 사탕수수로 이루어진 펄프 원료에 강습제와 싸이징제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    레반 첨가 및 혼합물 희석을 통한 원재료 용액 제조 단계(S120)에서 상기 레반은 원재료 용액에 대하여 0.5중량% 내지 2중량%의 첨가량을 갖는 것을 특징으로 하는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 레반의 분자량은 30만 이상 300만 이하인 것을 특징으로 하는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초기 제품 외부 PLA 코팅 단계(S140)는 PLA 필름을 상기 일회용 용기의 초기 제품에 열압착하여 합지하여 PLA 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 생분해성 바이오 고분자를 이용한 펄프 용기의 제조방법.
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