KR20220099263A - 커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기의 제조방법 및 이에 따라 제조된 플라스틱 용기 - Google Patents

커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기의 제조방법 및 이에 따라 제조된 플라스틱 용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기의 제조방법 및 이에 따라 제조된 플라스틱 용기에 관한 것으로, (S1) 커피 찌꺼기를 수분 함량이 0.1 내지 1 중량%가 되도록 동결건조하는 단계; (S2) 상기 동결건조된 커피 찌꺼기를 분말화하는 단계; (S3) 상기 분말화된 커피 찌꺼기 분말을 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지와 혼합한 다음 용융시켜 펠릿으로 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 제조된 펠릿을 사출 성형하여 용기를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기는 동결건조 방식을 사용하고, 수지로서 폴리프로필렌(PP)과 폴리우레탄 수지의 혼합수지를 사용함으로써 충격강도, 인장강도뿐만 아니라 파단신율이 월등하게 향상되어 내구성이 증대된 고강도 플라스틱 용기를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기는 제조시 오염물질이 발생하지 않아 친환경적이면서 커피 찌꺼기의 폐기물로 대폭 줄일 수 있어 매우 유용하게 이용될 수 잇을 것으로 기대된다.

Description

커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기의 제조방법 및 이에 따라 제조된 플라스틱 용기 {Method for manufacturing a plastic container using coffee grounds and a plastic container manufactured therefrom}
본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기의 제조방법 및 이에 따라 제조된 플라스틱 용기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 커피 찌꺼기를 동결건조한 다음 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지와 혼합하여 용융시킴으로써 충격강도, 인장강도 및 파단신율이 월등하게 향상되어 내구성이 증대된 고강도 플라스틱 용기를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 플라스틱 용기에 관한 것이다.
일반적으로, 커피는 전 세계인의 기호식품으로서 국내에 거의 전량 수입되고 있는 실정이다.
비교적 고가로 수입되어 판매되고 있는 원두커피는 커피를 내린 후 99.8%는 찌꺼기가 발생하고, 커피 찌꺼기는 생활쓰레기로 분류돼 땅속에 묻거나, 소각을 하고 있는 실정이다. 특히 원두커피의 사용 후, 재활용으로서 인정될 만한 것은 재떨이에 소량의 커피 찌꺼기(커피 폐기물)를 담아 사용되고 있는 것이 거의 전부이며, 재떨이의 사용 후에도 그대로 버려지게 되는 것이 일반적이다.
이에 따라, 버려지는 커피 폐기물은 커피고유의 향이 강해 다른 음식물 쓰레기와 혼합될 경우 상당한 악취를 발생하게 되는 것이다. 뿐만 아니라, 상기 커피의 입자가 보통 0.5 ~ 2mm 내외로 분쇄됨에 따라 커피 폐기물이 실내 및 도로상에 떨어지게 될 경우에는 청소가 매우 번거롭고 어려우며 상당히 불청결한 이미지를 제공 하는 되는 것이었다.
기존에 커피찌꺼기는 생활쓰레기로 분류되어 때문에 땅속에 묻거나 소각으로 처리해 왔다.
2014년 환경부 발표에 따르면 우리나라에서 배출되는 커피찌꺼기의 쓰레기양 약 10만 3000톤(완전 건조시)으로 추정되며, 이를 처리하기 위해서는 커피찌꺼기 1톤당 5만원이 소요되어 약 50억원 이상이 들어가는 것으로 알려져 있다 (건조비용 제외).
이러한 방대한 양의 커피쓰레기로 인해 환경오염은 물론 이산화탄소의 배출량도 늘어나고 있는데, 향후 커피 산업이 계속 발전하고 커피 소비량이 증가하면 할수록 쓰레기의 양도 함께 증가할 것으로 예상된다.
이렇게 버려지는 커피 폐기물을 이용하여 섬유 또는 수지를 제조하는 종래 기술로 "커피추출물 찌꺼기를 이용하여 피엘에이 섬유를 제조하는 방법"(대한민국 공개특허 제10-2010-0035032호)이 있고, 또한, 대한민국 공개특허 제10-1578324호는 커피 폐기물을 함유한 경량 플라스틱 제품에 관한 것으로, 수분 함량이 0.3 중량%인 커피 폐기물과 수지를 용융시킨 다음 사출 성형시키는 경량 플라스틱 제품 제조방법을 개시하고, 대한민국 공개특허 제10-2017-0067222호는 커피 폐기물을 잔류 수분 1% 이하로 건조시킨 다음 파쇄하고 진공 상태로 보관한 후 용융상태의 고분자 수지와 교반하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 커피 폐기물을 함유한 플라스틱 제품의 제조방법을 개시하고 있으나, 이들 문헌들은 커피 폐기물이 가지는 고유의 특성인 높은 흡습성에 의하여 실제 고온을 진행되는 사출성형시 커피 폐기물이 가지는 수분에 의하여 기포가 발생하며 이에 따라 사출성형된 플라스틱 제품에 불량이 발생하는 문제가 발생한다.
이에 본 발명자들은 커피 찌꺼기를 이용하여 강도가 향상되고 파손이 방지된 고강도의 용기를 제조하기 위해 계속 연구를 진행하던 중 커피 찌꺼기를 동결건조 방법을 이용하여 건조함으로써 수분함량을 최소화시키고 수지로서 폴리프로필렌과 우레탄 수지를 혼합 사용함으로써 강도가 향상되고 파손이 방지되어 내구성이 증대된 고강도의 플라스틱 용기를 제조하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 커피 찌꺼기를 이용하여 강도가 향상되고 파손이 방지되어 내구성이 증대된 고강도의 플라스틱 용기를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 제조방법에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 고강도의 플라스틱 용기를 제공하기 위한 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도의 플라스틱 용기의 제조방법을 제공한다:
(S1) 커피 찌꺼기를 수분 함량이 0.01 내지 0.2 중량%가 되도록 동결건조하는 단계;
(S2) 상기 동결건조된 커피 찌꺼기를 분말화하는 단계;
(S3) 상기 분말화된 커피 찌꺼기 분말을 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지와 혼합한 다음 용융시켜 펠릿으로 제조하는 단계; 및
(S4) 상기 제조된 펠릿을 사출 성형하여 용기를 제조하는 단계.
바람직하게, 상기 동결건조는 진공 동결건조 공법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 진공 동결건조 방법은 수거된 커피 찌꺼기를 급속냉동한 후 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 40 내지 20℃에서 1 내지 2시간 동안 1차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 20 내지 0℃에서 1 내지 2시간 동안 2차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 0 내지 20℃에서 1 내지 2시간 동안 1차 건조하는 단계, 및 5mtorr이하의 진공상태 및 20 내지 50℃에서 1 내지 2시간 동안 2차 건조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지는 커피 찌꺼기 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 상기 제조방법에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기를 제공한다.
이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기는 동결건조 방식을 사용하고, 수지로서 폴리프로필렌(PP)과 폴리우레탄 수지의 혼합수지를 사용함으로써 충격강도, 인장강도뿐만 아니라 파단신율이 월등하게 향상되어 내구성이 증대된 고강도 플라스틱 용기를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기는 제조시 오염물질이 발생하지 않아 친환경적이면서 커피 찌꺼기의 폐기물로 대폭 줄일 수 있어 매우 유용하게 이용될 수 잇을 것으로 기대된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 (S1) 커피 찌꺼기를 수분 함량이 0.1 내지 1 중량%가 되도록 동결건조하는 단계; (S2) 상기 동결건조된 커피 찌꺼기를 분말화하는 단계; (S3) 상기 분말화된 커피 찌꺼기 분말을 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지와 혼합한 다음 용융시켜 펠릿으로 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 제조된 펠릿을 사출 성형하여 용기를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도의 플라스틱 용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 사용하는 동결건조(Freeze-Drying)는 물체를 얼려 낮은 압력 아래 두면 수분이 승화되는 성질을 이용한 건조방법으로 즉, 용액상태에 있는 시료를 동결한 후 감압하면 시료 중의 수분만 승화되는 성질을 이용하여 수분을 제거하는 건조방법이다.
동결 건조의 공정방식은 3가지, 각각 동결(凍結)단계, 승화(昇華)단계 그리고 건조(乾燥)단계로 이루어져 있다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 상기 동결건조 공정에 의해 커피 찌꺼기를 교반시켜 원료의 균일한 냉각이 가능하고, 복수의 냉각틀을 통해 냉각되는 원료 제형의 균일성을 개선하는 장점이 있다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 상기 동결건조는 진공 동결건조 공법인 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 상기 진공동결건조는 수거된 커피 찌꺼기를 급속냉동한 후 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 40 내지 0℃ 분위기에서 동결건조를 수행하는 방법으로서, 원리는 커피 찌꺼기를 별도의 동결장치로 동결한 후 또는 직접 동결건조장치에 넣고 동결한다. 커피 찌꺼기를 동결상태로 유지하면서 얼음을 승화시켜 건조하기 위하여 건조실은 진공을 유지하면, 동결된 물은 외부에서 내부로 점차로 승화한다. 이렇게 해서 유리수가 모두 승화되고 결합수만 남게 되면 상당한 고온이라도 변질이 일어나지 않기 때문에 30~50℃ 정도로 가열하여 결합수도 제거하게 되면, 수분함량 0.1 내지 1 중량%까지 건조할 수 있게 된다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 상기 진공 동결건조 방법은 수거된 커피 찌꺼기를 급속냉동한 후 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 40 내지 20℃에서 1 내지 2시간 동안 1차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 20 내지 0℃에서 1 내지 2시간 동안 2차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 0 내지 20℃에서 1 내지 2시간 동안 1차 건조하는 단계, 및 5mtorr이하의 진공상태 및 20 내지 50℃에서 1 내지 2시간 동안 2차 건조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 폴리프로필렌 및 폴리우레탄은 본 발명의 플라스틱 용기의 성형성을 향상시켜 주는 바인더 역할을 하며, 특히 폴리프로필렌은 인장강도가 우수하며, 폴리우레탄은 탄성, 내마모성, 가공성이 우수하며 친환경소재로 알려져 있다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 상기 폴리프로필렌 및 폴리우레탄은 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 상기 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지는 커피 찌꺼기 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 고강도 플라스틱 용기에는 커피 찌꺼기 및 혼합수지 외에 탄산칼슘, 이산화티탄, 분산제, 왁스 등을 추가로 합하여 내열성 및 균일성을 증대시킬 수 있다.
상기 분산제는 마그네슘, 칼슘스테아린, 아연스테아린이 사용되며, 커피 찌꺼기와 폴리프로피렌의 원활한 혼합과 분산 혼련을 돕는 목적으로 사용하며, 상기 왁스는 에틸렌 비스 스테아르아미드(ethylene bis stearamide :EBS), PP계열 왁스(p-wax)를 사용한다.
한편, 본 발명에서는 상기 제조방법에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 플라스틱 용기는 동결건조 방식을 사용하고, 수지로서 폴리프로필렌(PP)과 폴리우레탄 수지의 혼합수지를 사용함으로써 충격강도, 인장강도뿐만 아니라 파단신율이 월등하게 향상되어 내구성이 증대된 고강도 플라스틱 용기를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기는 제조시 오염물질이 발생하지 않아 친환경적이면서 커피 찌꺼기의 폐기물로 대폭 줄일 수 있어 매우 유용하게 이용될 수 잇을 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1> 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기 제조
수거된 커피 찌꺼기를 급속냉동한 후 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 30℃에서 1시간 동안 1차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 10에서 1 시간 동안 2차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 0℃에서 1 시간 동안 1차 건조하는 단계, 및 5mtorr이하의 진공상태 및 40℃에서 1 시간 동안 2차 건조하는 단계로 이루어진 진공 동결건조공정을 수행하였다.
이어서, 폴리프로필렌 및 폴리우레탄를 1:1의 중량비로 혼합한 다음, 상기 진공 동결건조된 커피 찌꺼기 100 중량부에 대하여 40 중량부의 양으로 첨가하여 용융시켜 펠릿화하였다.
이어서, 상기 제조된 펠릿을 용기 틀에서 사출 성형하여 고강도 플라스틱 용기를 제조하였다.
<비교예 1>
진공 동결건조 공법이 아닌 일반적인 건조 공법을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 용기를 제조하였다.
<비교예 2>
폴리우레탄을 첨가하지 않고 폴리프로필렌만을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 용기를 제조하였다.
<시험예 1> 충격강도 측정
상기 실시예 1에서 제조된 고강도 플라스틱 용기 및 비교예 1 및 2에서 제조된 플라스틱 용기에 대하여 ASTM D256 방식에 따라 충격강도를 테스트하였고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
충격강도(kg cm/cm) 5.9 4.4 4.1
상기 표 1에서 보듯이, 본 발명에 따른 실시예 1의 고강도 플라스틱 용기 및 비교예 1 및 2에서 제조된 플라스틱 용기에 비하여 충격강도가 월등하게 향상된 것을 확인할 수 있었다.
<시험예 2> 인장강도 측정
상기 실시예 1에서 제조된 고강도 플라스틱 용기 및 비교예 1 및 2에서 제조된 플라스틱 용기에 대하여 ASTM D638 방식에 따라 인장강도를 테스트하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
인장강도(kg/cm2) 301 245 231
상기 표 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 실시예 1의 고강도 플라스틱 용기 및 비교예 1 및 2에서 제조된 플라스틱 용기에 비하여 인장강도가 매우 우수한 것을 알 수 있다.
<시험예 3> 파단신율 측정
상기 실시예 1에서 제조된 고강도 플라스틱 용기 및 비교예 1 및 2에서 제조된 플라스틱 용기에 대하여 ASTM D638 방식 방식에 따라 파단신율을 테스트하였고, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
파단신율(%) 64 34 28
상기 표 3에서 보듯이, 본 발명에 따른 실시예 1의 고강도 플라스틱 용기 및 비교예 1 및 2에서 제조된 플라스틱 용기에 비하여 파단신율이 거의 2배 이상 증가하였음을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도의 플라스틱 용기의 제조방법:
    (S1) 커피 찌꺼기를 수분 함량이 0.01 내지 0.2 중량%가 되도록 동결건조하는 단계;
    (S2) 상기 동결건조된 커피 찌꺼기를 분말화하는 단계;
    (S3) 상기 분말화된 커피 찌꺼기 분말을 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지와 혼합한 다음 용융시켜 펠릿으로 제조하는 단계; 및
    (S4) 상기 제조된 펠릿을 사출 성형하여 용기를 제조하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동결건조가 진공동결건조 공법인 것을 특징으로 하는 고강도의 플라스틱 용기의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 진공 동결건조는 수거된 커피 찌꺼기를 급속냉동한 후 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 40 내지 20℃에서 1 내지 2시간 동안 1차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 영하 20 내지 0℃에서 1 내지 2시간 동안 2차 동결건조하는 단계, 5mtorr이하의 진공상태 및 0 내지 20℃에서 1 내지 2시간 동안 1차 건조하는 단계, 및 5mtorr이하의 진공상태 및 20 내지 50℃에서 1 내지 2시간 동안 2차 건조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도의 플라스틱 용기의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 및 폴리우레탄의 혼합수지는 커피 찌꺼기 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는 고강도의 플라스틱 용기의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 따라 제조된 커피 찌꺼기를 이용한 고강도 플라스틱 용기.
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