KR20220076019A - 생분해성 음료 묶음포장재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 환경에 의한 물성의 약화를 방지한 친환경적인 포장재를 제공하고자 한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 식품 부산물을 원료로 제조하여 자연 생분해성이며 토양에 유기질 비료로 작용하여 동식물에 안전한 제품을 제공할 뿐 아니라, 일반적으로 버려지던 폐자원인 식품부산물을 새활용(upcycling)하여 폐자원의 선순환에 기여한다.

Description

생분해성 음료 묶음포장재 및 그 제조방법{Biodegradable carrier packaging material for beverage cans and its manufacturing method}

본 발명은 생분해성 포장재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자연에 폐기되어도 생분해가 가능한 환경친화적인 다수의 고리 구조를 갖는 캔음료 묶음 포장재와 그 제조방법에 관한 것이다.

캔음료는 1959년 미국에서 발명된 이래, 전세계로 확산되었고, 국내에는 1980년에 도입되어 현재까지 수많은 사람들에게 판매되고 있다. 실제 2020년 금년 현재까지 전세계적으로 소비된 알루미늄캔은 약 127,464,000,000개로, 이 중 1/2은 캔맥주의 형태로 소비되고 있다.

일반적으로 원통형(355ml) 모양인 캔음료를 한번에 한사람이 여러개를 운반할수 있도록 1960년대 미국에서 6개의 캔을 동시에 고정하는 고리형태의 플라스틱링 묶음포장재가 사용되기 시작했다. 6팩링으로 알려진 이 묶음포장재는 발명된 이후 현재까지 시장에서 보편적으로 사용되고 있으나, 폐기된 6팩링으로 인해 해양생물들에게 장애를 일으키거나 죽음에 이르게 하는 등의 치명적인 결과를 초래하여 환경오염 유발 위험군으로 분류되었다.

심각한 환경 오염을 유발하는 비분해성 플라스틱 6팩링의 대체재로 종이와 금속 소재의 캔음료 묶음 포장재를 사용하고자 하는 시도가 있으나, 이 또한 금속 및 나무자원의 고갈과 비분해성으로 인한 환경오염을 야기한다는 측면에서 한계가 있다.

상기 문제를 해결하기 위해 분해성 소재로 6팩링을 상용화하기 위한 시장의 많은 시도가 있었고, 그 중 미국의 맥주회사 SALT WATER BREWERY와 광고회사 WE BELIEBERS의 협력작업으로 E6RP이라는 해양동물이 먹어도 안전한 생분해성 맥주 포장재를 생산하여 상용화하였다. 하지만 상기 제품은 자외선을 이용하여 생분해를 개시하는 물질로, 자외선에 노출되면 급격히 물성이 약해지고 구조의 결집력이 약해져 상품 활용이 불가능한 문제가 발생하고, 자외선에 노출이 안되면 자연 생분해에 소요되는 시간이 300일 내지 500일 가량으로 장기간 소요되는 또 다른 문제점을 가지고 있었다.

따라서 이러한 자외선에 의한 물성 변화 문제를 해결하는 동시에 친환경적인 생분해성 포장재를 개발하여. 종래기술의 한계를 극복할 필요가 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로. 외부 환경에 의한 물성의 약화를 방지하고, 친환경적인 생분해성 포장재를 제공하고자 한다.

본 발명은 식품 부산물을 원료로 제조하여 자연 생분해성이며 토양에 유기질 비료로 작용할 수 있어 동식물에게 안전한 제품을 제공할 뿐 아니라, 일반적으로 버려지던 폐자원인 식품부산물을 새활용(upcycling)하여 폐자원의 선순환에 기여하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 10 ~ 40중량%의 양조 부산물, 45 ~ 69중량%의 식물 섬유, 0.2 ~ 5 중량%의 친환경 발유제 및 0.5 ~ 10중량%의 친환경 발수제를 포함하는 생분해성 포장재 조성물을 제공한다.

본 발명의 친환경 발유제는 바나나 추출물로부터 만들어진 것일 수 있다. 친환경 발수제 및 발유제의 작용으로 인해 자외선, 습도, 온도 등 외부환경에 의한 생분해성 포장재의 물성 약화를 방지할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 양조 부산물은 술지게미 또는 맥주 찌꺼기이며, 상기 양조 부산물은 보리, 쌀 또는 밀 중 선택되는 하나 이상의 부산물일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 식물 섬유는 해조류 부산물, 볏짚, 밀짚, 대나무, 옥수수대, 고춧대, 깻대, 콩대, 보릿짚, 율무짚, 고구마줄기, 감자줄기 중 2개 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에서는 상기 식물 섬유는 비 목질계 식물로서 팩틴(pectin), 헤미 셀룰로오스(hemicellulose), 무기물 등이 많고 리그닌이 적게 포함되는 경향이 있다. 비 목질계 펄프는 그 섬유형태, 화학적 조성, 비 섬유세포의 종류와 양에 따라 각각 특징이 있기 때문에 단독, 혹은 여러 개 식물의 적정 배합에 의해 펄프의 강도, 내구성, 광택, 안정성 등 다양하게 만들어진다.

다양한 원료 성분과 비율로 자연분해 되도록 제작하고 테스트 한 결과, 상기 2종 이상의 식물 섬유를 포함하였을 때 인장강도가 충분하게 개선되면서도 필드에서 적절한 시점에 분해되기 위해서는 천연접착제의 성분 및 첨가량이 매우 중요함을 확인하였다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 2종 이상의 식물 섬유에서 각 식물 섬유의 비율이 동등한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 각 식물 섬유의 비가 동등한 경우 높은 강도의 생분해성 포장재의 생산이 가능하다.

본 발명은 하기와 같은 단계를 포함하는 생분해성 포장재의 제조 방법을 제공한다.

(a) 양조 부산물을 탈수하여 기계 또는 자연건조하여 펄프화하고, 건조된 펄프를 분쇄하여 분말화하는 단계;

(b) 상기 분쇄된 10 ~ 40중량%의 양조 부산물 분말, 45 ~ 69중량%의 식물 섬유, 0.2 ~ 5 중량%의 친환경 발유제 및 0.5 ~ 10중량%의 친환경 발수제를 포함하는 조성물 100 중량부에 물을 50~600중량부로 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;

(c) 상기 슬러리를 주형에 주입한 뒤, 주형에 압력과 열을 가하여 성형하는 단계;

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(a)의 양조 부산물의 수분함량이 12% 이하가 되도록 기계 또는 자연건조하는 것일 수 있다.

양조 부산물은 높은 수분 함량과 높은 당분과 같은 복잡한 성분 등의 이유로 장기적으로 이용하는데 어려움이 있으며, 미생물의 반응으로 굉장히 불안정하고 빠르게 부패할 수 있기 때문에 폐기물로 인식되고 있다. 하지만 수분 함량을 12% 이하로 낮추었을 때는 미생물 성장이 발견되지 않아 6개월 이상 공기에 노출된 상태에서 보관이 가능하다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(a)의 펄프 분말의 입자크기는 3mm이하일 수 있다.

상기 펄프 분말의 입자크기가 3mm 초과인 경우 생성된 포장재의 균질성을 담보할 수 없으며, 인장강도 및 연신률을 일정한 수준으로 유지하며 생산하는 것이 불가하다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(b)의 슬러리의 점도는 0.7mPa·s ~ 2.2mPa·s일 수 있다. 점도가 0.7mPa·s 미만인 경우 슬러리 내부 접착이 잘 이루어지지 않으며, 2.2mPa·s인 경우 단단하여 금형 내 모양을 일정하게 내지 못하는 단점이 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(c)에서 주형에 가해지는 압력은 80MPa ~ 550MPa이고, 온도는 90℃~ 550℃일 수 있다. 슬러리를 구성하는 구성물에 가해지는 가열온도가 호화온도 이상으로 증가할 때 점도가 증가한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(c)이후에

(d) 성형된 슬러리의 수분함량이 0% ~ 1%될 때까지 슬러리를 주형 내에 잔존시켜 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(c)의 주형은 2개, 4개, 6개 또는 다수의 개방형 고리모양을 갖는 주형일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계(d)이후에 (e) 상기 주형 내에서 건조된 하나 이상의 생분해성 포장재의 외형을 다듬는 단계; (f) 상기 다듬어진 하나 이상의 생분해성 포장재를 소독하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 생분해성 포장재는 외부환경에 의한 개방형 고리 부분의 화학 구조 분해가 억제되어 일정 기간동안 물성 유지가 가능하다.

본 발명의 다른 효과는 식품폐기물인 양조 부산물과 식물 부산물을 새활용(upcycling)함에 따라 환경오염을 절감할 뿐 아니라 토양에 유기질 비료로 작용하고 생분해됨으로써 식물성 폐기물의 자원순환에 기여할 수 있다.

본 발명의 다른 효과는 식품 폐기물/식물 부산물을 활용하여 목재 펄프 대비 원료 비용과 제조 공정에 소요되는 시간을 1/4로 줄여 생산비용을 매우 절감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 생분해성 포장재의 제조공정을 나타내는 모식도이다.

[실시예 1, 2]

맥주 부산물을 탈수하여 건조하여 펄프화하고 분쇄하였다. 상기 분쇄된 맥주 분말과 나머지 조성물을 하기 표 1의 조성물 함량에 따라 혼합하여 슬러리를 제조한 다음, 주형에 압력과 열을 가하여 성형하여 실시예 1, 2의 생분해성 포장재를 제조하였다.

[비교예 1 내지 3]

비교예 1, 2는 조성물을 하기 표 1의 함량으로 혼합하는 것을 제외하고 실시예 1의 제조방법과 동일하게 제조되었다.

비교예 3은 시판 생분해성 포장재(제품명: E6PR)이다.

[실험예1: 조성물 함량에 따른 물성 측정]

실시예 1,2, 비교예1,2의 생성물을 제조한 후, 5x5cm의 시험편으로 준비하여 인장압축시험기로 물성을 측정하였다.

		비교예 1	실시예 1	실시예 2	비교예 2
함량	볏짚(g)	20	25	25	35
	맥주 부산물(g)	15	25	25	5
	우뭇가사리(g)	40	25	25	35
	친환경 발수제 및 발유제(g)	10	10	10	10
	결합제(g)	15	15	15	15
	물(정제수, ml)	50	200	50	50
제형 및 접합도		무너짐	무름	단단함	무너짐
인장강도(MPa)		측정불가	58-75	98-113	측정불가
신장률(%)		측정불가	9-12	2~5	측정불가

*친환경 발수제 및 발유제: 바나나 추출물, AKD(perfluoroalkylethyl phosphate alkylketene dimers) 등

*결합제: 우무, 아라비아고무분말, 옥수수전분, 메틸셀룰로오스 등

상기 표 1에서 물의 양이 200 mL 일 때보다, 50 mL일 때 성형 후 더욱 단단하고 인장강도가 높은 생분해성 포장재를 생산할 수 있다. 첨가된 식물 섬유 양에 따른 제형과 강도를 살펴보면, 전체 중량에서 해조류 섬유(우뭇가사리)의 양을 40g로 증가시켜 실험한 결과 제형이 무너너지고, 전체 중량에서 식물 섬유(볏짚, 우뭇가사리)의 총 함량이 70g 이상이 되면 결합력의 부족으로 제형이 무너진다.

[실험예2: 자외선(UV)에 노출에 따른 물성 변화]

비교예3과 실시예2을 시험편 크기 (5x5)cm로 준비한 다음, 약 5주간 하루 24시간 각 시험편을 자외선노출시험기의 자외선(UV)에 노출시킨다. 매일 동일한 시간에 분해(크랙) 정도를 확인하고, 분해(크랙) 시작일에 자외선노출시험기에서 시험편을 제거한다. 분해(크랙)가 시작된 시험편을 인장압축시험기로 물성을 측정한다.

	비교예 3(시판 제품)	실시예 2	비고
자외선 미노출시 분해 시작일	300일 이상	213일 이상
자외선 노출시 분해 시작일	19일 이상	25일 이상
자외선 노출전 인장강도(MPa)	92-107	98-113
자외선 노출후 인장강도(MPa)	65-82	80-102

약 5주간 하루 24시간, 총 약 800시간 동안 시판 제품인 비교예 3과 실시예 2를 자외선(UV)노출 실험을 진행하였다. 실험 결과, 자외선 노출 시 비교예 3은 실시예 2보다 10일가량 일찍 분해가 시작되어 장거리 유통 등에 불리하였다. 자외선 노출시 실시예 2의 인장강도도 다소 감소하였으나, 비교예3은 최대 40% 정도 인장강도 등의 물성이 급격하게 감소하여, 내용물을 채운 음료캔 등을 고정하거나 지지하기에 적합하지 않았다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 통상의 기술자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

10 ~ 40중량%의 양조 부산물, 45 ~ 69중량%의 식물 섬유, 0.2 ~ 5 중량%의 친환경 발유제 및 0.5 ~ 10중량%의 친환경 발수제를 포함하는 생분해성 포장재 조성물.

제1항에 있어서, 상기 양조 부산물은 보리, 쌀 또는 밀 중 선택되는 하나 이상을 원료로 하는 양조과정의 부산물로서, 술지게미 또는 맥주 찌꺼기인 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재 조성물.

제1항에 있어서, 상기 식물섬유는 해조류, 해조류 부산물, 볏짚, 밀짚, 대나무, 옥수수대, 고춧대, 깻대, 콩대, 보릿짚, 율무짚, 고구마줄기, 감자줄기 중 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재 조성물.

제3항에 있어서, 상기 2종 이상의 식물 섬유에서 각 식물 섬유의 비율이 동등한 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재 조성물.

(a) 양조 부산물을 탈수하여 기계 또는 자연건조하여 펄프화하고, 건조된 펄프를 분쇄하여 분말화하는 단계;
(b) 상기 분쇄된 10 ~ 40중량%의 양조 부산물 분말, 45 ~ 69중량%의 식물 섬유, 0.2 ~ 5 중량%의 친환경 발유제, 및 0.5 ~ 10중량%의 친환경 발수제를 포함하는 조성물 100 중량부에 물을 50~600중량부로 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
(c) 상기 슬러리를 주형에 주입한 뒤, 주형에 압력과 열을 가하여 성형하는 단계;를 포함하는 생분해성 포장재의 제조방법.

제5항에 있어서, 상기 단계(a)의 양조 부산물의 수분함량이 12% 이하가 되도록 기계 또는 자연 건조하는 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재의 제조방법.

제5항에 있어서, 상기 단계(a)의 펄프 분말의 입자크기는 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재의 제조방법.

제5항에 있어서, 상기 단계(b)의 슬러리의 점도는 0.7mPa·s ~ 2.2mPa·s인 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재의 제조방법.

제5항에 있어서, 상기 단계(c)이후에
(d) 성형된 슬러리의 수분함량이 0% ~ 1%될 때까지 슬러리를 주형내에 잔존시켜 건조시키는 단계;
(e) 상기 주형 내에서 건조된 하나 이상의 생분해성 포장재의 외형을 다듬는 단계; 및
(f) 상기 다듬어진 하나 이상의 생분해성 포장재를 소독하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재의 제조방법.

제5항에 있어서, 상기 단계(c)의 주형은 2개, 4개, 6개 또는 다수의 개방형 고리모양을 갖는 주형인 것을 특징으로 하는 생분해성 포장재의 제조방법.

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