KR20230105257A - 맥주박을 이용한 생분해성 펄프컵 및 이의 제조방법 - Google Patents

맥주박을 이용한 생분해성 펄프컵 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본원발명의 펄프컵은 맥주박으로 제조되어, 생분해성이 우수하면서도 내유성, 내수성, 내구성, 내열성 등 물성이 우수한 생분해성 펄프컵 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

맥주박을 이용한 생분해성 펄프컵 및 이의 제조방법{BIODEGRADABLE PULP CUP USING BREWER'S SPENT GRAIN AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 맥주박을 이용한 생분해성 펄프컵의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 펄프컵에 관한 것으로, 맥주박을 이용하여 생분해 가능한 펄프컵을 제조함으로써, 친환경이면서도 내열성, 내수성이 우수하며 생분해성이 우수한 펄프컵의 제조방법 및 이로 제조된 펄프컵에 관한 것이다.
일반적으로 종이에 라미네이팅 코팅층이 형성되는 경우 상기 라미네이팅 코팅층은 통상적으로 범용수지인 PE(LDPE,HDPE)및 PP, PVC, URETHAN 수지 등 다양한 합성수지를 사용하여 라미네이팅 코팅층을 형성하였다.
이러한 합성수지에는 가소성이나 열 접착성을 부여하기 위해 가소제나 접착성 보조제 등의 유해 물질을 사용하게 되고, 이러한 물질은 뜨거운 물에서는 유해 물질인 환경 호르몬이 상당히 많이 용출된다고 알려져 있다.
특히, 컵라면 용기나 종이컵 등은 뜨거운 물이 접촉되는 조건이므로 상기한 합성수지를 라미네이팅한 종이를 사용할 경우 인체에 매우 유해한 환경 호르몬 용출문제가 심각하게 대두되었다.
또한, 합성수지 라미네이팅의 경우 난분해성으로 매립 시 수 십년간 분해가 이루어지지않아 자연계에 해를 미칠 수가 있으며, 자원의 재활용 측면에서도 난분해성 수지필름은 재활용 처리공정에도 문제점을 발생하기도 하며, PVC 수지의 경우 다이옥신이 발생되어 소각 처리도 어려운 문제가 있었다.
이에 따라, 최근에는 인체에 유해한 환경 호르몬 용출이 없이 생분해성 수지로 라미네이팅된 종이컵 용기들이 개발되었는데, 한국공개특허 10-2007-0068331(2007년06월29일)에 둥글게 말아서 양단부가 겹쳐지게 부착된 옆지(10)의 상부를 외측으로 말아서 컬링부(11)를 형성하고 하단부는 밑지(20)의 외주연 전둘레에 하향 절곡된 밑지 수직부(22)를 외측에서 내측으로 감싸서 부착된 일회용 종이컵에 있어서, 상기 옆지(10)와 밑지(20)의 일측면에 생분해성 수지를 002~007mm 두께로 도포 후, 120~130℃에서 5~10분간 발포시켜 상기 일회용 종이컵 일측면에 생분해성 수지 발포층(40)을 형성한 것을 특징으로 하는 생분해성 수지 발포층이 형성된 일회용 종이컵이 개발된 바 있다.
또한, 한국등록특허 10-0875104(2008년12월15일)에 수지 조성물이 코팅된 음식물 포장용지에 있어서, 음식물을 포장할 수 있는 001~2㎜ 두께의 지류(20)와; 폴리락트산과 10-75%와, 생분해성 폴리에스테르 수지 10-75%와, 물성 보강을 위한 생분해성 폴리에스테르 우레탄 10-30%와, 가소제 005-1%와 상용화제 005-1%와 100%의 중량비에서 부족분은 충전제를 투입한 지류 라미네이팅용 조성물이 상층을 이루는 코팅층(10);으로 구성됨으로써, 상기 지류의 표면에 상기 코팅층이 도포되어 수분의 흡수는 막고 수분의 방출은 향상시키는 것을 특징으로 하는 지류에 라미네이팅 코팅을 위한 생분해성 수지조성물이 도포된 음식물 포장용지가 공지되어 있다.
또한, 한국공개특허 10-2007-0106679(2007년11월05일)에는 1층 이상의 제1 코폴리에스테르 및 1층 이상의 제2코폴리에스테르가 적층된 종이 기재의 기판을 포함하며, 상기 층들은 상기 기판의 하나 이상의 표면 상에 부착되어 있고, 여기서 제1층은 종이 기재의 기판에 접착성을 제공하는 내층이고, 제2층은 냉각 롤 점착 및 롤내 블록킹을 막으며 상기 제1층에 비해 더 큰 열적 안정성을 제공하는 외층인, 생분해성 적층체가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1061043(2011년08월25일)에는 전분, 물, 가소제, 바인더를 혼련하여 얻어진 시트 상 생분해성 조성물로 되는 생분해성 용기에 있어서, 상기한 시트 상 생분해성 조성물(2) 시트의 내면 또는 양면에 로얄 아이보리지, 트레이싱지, 한지 백상지 중 단독 또는 2종 이상의 합지로 이루어진 종이로 된 적층지(1)를 적층한 후 일체형으로 발포 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기가 공지되어 있다.
그러나, 상기 생분해성 수지로 라미네이팅된 종이용기들은 완전 분해되는 장점이 있으나, 물성이 고르지 못하고 강도가 약하다는 단점이 있으며, 특히, 기체 및 수분 차단성이 미흡하여 수분이 접촉되면 수분이 종이에 흡수되어 종이용기의 강도가 저하될 뿐만 아니라 종이용기 형태 자체의 파괴 및 기능이 상실되는 문제점이 있었다.
한편, 맥주박은 맥주 제조의 주원료인 맥주보리를 발아시켜 당화시킨 후, 당화액을 분리한 후의 부산물로, 보리낱알에 맥아를 첨가하여 맥아즙을 얻고, 이를 가공하여 맥주 생산을 하고 남은 잔여물에 해당한다. 맥주박은 기본적으로 맥주보리의 껍질, 과피, 종피 층으로 구성되어 있어 미네랄, 비타민, 단백질 등이 풍부하며 특히 식이섬유 함량이 높다.
그러나, 국내에서는 맥주박을 가축 사료로 사용하기도 하나, 폐기하고 있는 실정으로 이에 상기 맥주박의 식이섬유를 펄프컵 제조에 사용함으로써 경제적, 친환경 적으로 맥주박을 활용하고자 하였다.
이에, 본원발명에서는 맥주박의 식이섬유를 이용하여 생분해성 펄프컵 및 이의 제조방법을 제공함으로써, 폐기되고 있는 맥주박을 업사이클링할 수 있으며, 생분해성이 우수한 펄프컵을 제공하기 위해 이 발명을 완성하였다.
KR 10-2115881 B1 KR 10-2140079 B1
본 발명의 목적은 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 맥주박을 포함하여 생분해성이 우수하면서도 내유성, 내수성, 내구성 및 내열성이 우수한 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법은 1) 인상재를 이용하여 컵 틀을 제작하는 단계; 2) 맥주박을 건조시킨 후 분쇄하여 전처리하는 단계; 3) 상기 전처리된 맥주박 내 불순물을 제거하는 단계; 4) 불순물이 제거된 맥주박에 점착성 접착제 물질을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 5) 상기 4)단계에서 제조된 혼합물을 건조하는 단계; 및 6) 상기 5)단계의 수분이 제거된 혼합물을 상기 1)단계에서 제조된 컵 틀에 도포한 후 압축 및 건조과정을 통해 펄프컵을 성형하는 단계를 포함하는 것이다.
상기 점착성 접착제 물질은 PVA(Polyvinyl Alcohol)인 것이다.
상기 6) 단계의 성형된 펄프컵에 생분해성 코팅 조성물을 분사하여 코팅층을 형성하는 7) 단계를 더 포함하는 것이다.
상기 생분해성 코팅 조성물은 생분해성 고분자 및 천연 추출물로 이루어지는 것이다.
상기 생분해성 고분자는 천연 고분자, 합성 고분자, 미생물 생산 고분자 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이다.
상기 합성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 지방족 폴리에스터, 폴리글리콜산 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵은 상기 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조 방법을 이용하여 제조된 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
이하, 본원의 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시태를 들어 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본원발명의 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵은 기존의 판매되는 일회용 컵에 비해 생분해성이 우수한 것으로, 그 제조방법은 하기와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법은 1) 인상재를 이용하여 컵 틀을 제작하는 단계; 2) 맥주박을 건조시킨 후 분쇄하여 전처리하는 단계; 3) 상기 전처리된 맥주박 내 불순물을 제거하는 단계; 4) 불순물이 제거된 맥주박에 점착성 접착제 물질을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 5) 상기 4)단계에서 제조된 혼합물의 수분을 제거하는 단계; 및 6) 상기 5)단계의 수분이 제거된 혼합물을 상기 1)단계에서 제조된 컵 틀에 도포한 후 고압 및 건조과정을 통해 펄프컵을 성형하는 단계를 포함하는 것이다.
본원발명의 생분해성 펄프컵의 제조단계 중 첫번째 단계는 인상재를 이용하여 컵 틀을 제작하는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 인상재는 탄성이 있는 인상재 일 수 있으며, 알지네이트(alginate), 아가(agar), 아가-알지네이트 연합 재료, 고무, 폴리설파이드(polysulfide), 여러 종류의 실리콘(축합중합형 실리콘(condensation silicon), 부가 중합형 실리콘(addition silicon)) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
바람직하게 본원발명에서 사용될 수 있는 인상재는 알지네이트(alginate)일 수 있다. 상기 알지네이트는 혼합과 취급이 용이하며, 탄성이 있어 잘 떼어지는 성질로 인해 컵 제작 시 성형된 컵을 보다 수월하게 떼어낼 수 있다.
이에, 본원발명에서 컵 틀 제작에 알지네이트를 사용할 수 있으며 보다 구체적으로 알지네이트와 물을 혼합하여 사용하는 것이다.
알지네이트 및 물의 혼합 비율은 1:0.5 내지 1:2 비율일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1:0.8 내지 1:1.5 일 수 있다. 상기 범위 내로 혼합하는 경우 컵 틀의 강도가 보다 견고할 수 있으며, 다른 재료에 비해 경제적이기 때문에 제작에 용이할 수 있다.
또한, 상기 알지네이트 및 물을 이용하여 제작된 컵 틀에 석고와 물을 혼합하여 압력을 가해 줄 틀을 제작할 수 있다. 상기 석고와 물의 혼합 비율은 1:1 내지 1:4일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1:1.5 내지 1:2 일 수 있다. 상기 범위 내로 혼합하는 경우 역시 압력을 가해 줄 틀의 강도가 보다 견고할 수 있다.
상기에 기재한 바와 같이, 본원발명의 생분해성 펄프컵의 제조단계의 첫번째 단계는 인상재 및 물을 이용하여 컵 틀을 제작하고, 석고와 물을 혼합하여 압력을 가해줄 틀을 제작하는 것으로 진행될 수 있다.
이후, 본원발명의 생분해성 펄프컵의 제조단계 중 두번째 단계는 맥주박을 건조시킨 후 분쇄하여 전처리하는 단계이다.
상기 맥주박(Brewer's Spent Grain, BSG)은 맥주 제조과정에서 만들어지는 부산물 중 85%를 차지하는 것으로, 높은 수분함량과 복잡한 성분 등의 이유로 인해 널리 활용되고 있지 못하며, 미생물의 반응으로 급격히 상할 수 있어 폐기물로 인식되고 있으며, 제대로 활용되지 않고 있는 실정이다.
상기 맥주박(BSG)의 구성은 약 20%의 단백질과 약 70%의 섬유질을 포함하고, 특히 70%의 섬유질을 포함하는 점에서 상업적으로 사용하기 좋은 구성으로 이루어져 있다고 할 수 있으며, 상기 맥주박에 포함되는 섬유질로는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등이 있다. 이에 본원발명에서는 상기 맥주박의 섬유질 성분을 이용하여 펄프컵 제조에 사용하도록 하였다.
이에, 본원발명에서는 상기 맥주박을 전처리하여 펄프컵 제조에 사용하도록 하였다.
보다 상세하게, 상기 맥주박은 세척, 건조 후 분쇄하는 단계를 거쳐 전처리 될 수 있다. 세척된 맥주박은 바람직하게 열풍 건조를 통해 건조될 수 있으며, 상기 건조 조건은 60 내지 90℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 이루어질 수 있다. 보다 바람직하게는 70 내지 80℃의 온도에서 건조되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 75℃의 온도에서 이루어지는 것일 수 있다. 상기 60℃ 미만의 온도에서 건조되는 경우, 맥주박 내 수분 제거가 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 90℃를 초과하여 건조되는 경우 맥주박에 높은 온도를 가함에 따라 건조된 맥주박이 타게되어 불순물 다량 생산으로, 펄프컵 제조를 위해 보다 더 많은 량의 맥주박이 요구될 수 있다. 또한, 1 내지 4시간을 벗어나서 건조되는 경우에도 마찬가지로 수분제거가 제대로 이루어지지 않거나 맥주박 내 수분이 과하게 제거되어 이후 펄프컵의 제조 과정에 바람직하지 않을 수 있다.
상기의 온도범위 내에서 열풍 건조된 맥주박은 분쇄하여 분말 형태로 처리됨으로써 맥주박이 최종적으로 전처리 된다.
상기 맥주박의 분쇄는 통상적인 방법으로 분쇄할 수 있으며, 맥주박의 분쇄 입자 크기는 특별히 한정하지는 않으나 바람직하게는 60 내지 80mesh 크기로 분쇄될 수 있다. 상기 크기 범위보다 큰 경우 펄프컵의 성형 시 용기 표면이 거칠어지거나 성형 시 준소결 현상이 일어나기 어려울 수 있다. 이에 본원발명에서 사용되는 맥주박은 60 내지 80 mesh 크기로 분쇄된 분말 형태의 맥주박을 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 일련의 세척, 건조 및 분쇄 과정을 통해 맥주박은 최종적으로 분말 형태로 전처리될 수 있다.
이후, 상기 분말 형태의 맥주박 내 불순물을 제거하는 세번째 단계를 진행하게 된다. 상기 분말 형태의 맥주박을 용매에 넣어 침전시킴으로써 불순물을 제거할 수 있으며, 상기 용매로 증류수를 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 맥주박 내 불순물을 제거할 수 있는 용매의 경우 통상의 기술자의 수준에서 선택하여 사용될 수 있다.
보다 상세하게, 증류수에 분말 형태의 맥주박을 투여하여 침전물과 상층액이 분리되면, 상층액을 제거한 후 가라앉은 맥주박 분말을 수득하여 맥주박 내 불순물을 제거할 수 있다.
상기 맥주박 내 불순물 제거 단계는 필요에 따라 반복 수행할 수 있으며, 그 횟수는 제한하지 않으나 바람직하게 1 내지 5회 수행함으로써 맥주박 내 불순물 제거가 가능할 수 있다.
이후, 상기의 불순물이 제거된 맥주박에 점착성 접착제 물질을 첨가하여 혼합물을 제조하는 네번째 단계를 진행할 수 있다.
상기 점착성 접착제 물질은 PVA(Polyvinyl Alcohol)인 것이다.
상기 PVA(Polyvinyl Alcohol)는 폴리비닐 알코올이라고도 불리며, 대부분의 비닐 중합체와는 달리 해당 단량체(비닐 알코올)의 중합으로 제조되지 않는 것으로 단량체인 비닐 알코올 대신 비닐아세테이트를 먼저 중합시키고 생성된 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate)가 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol)로 전환되는 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
보다 상세하게는, 비닐아세테이트 단량체를 free radical 반응을 통해 중합하여 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate)를 제조하고, 이어서 Methyl alcohol과 NaOH를 가해 30 내지 50℃ 온도 조건으로 가수분해하여 백색의 고체로 침전되는 폴리비닐 알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)을 수득할 수 있다.
상기 PVA는 무색(백색) 무취의 고체로 존재하며, 물에 가용성이고, 유기용매에는 불용성인 특징을 나타낸다. 또한, 열가소성이며 내유성을 띄는 성질을 나타내어 절연 필름이나 접착제 등의 재료로 쓰이기도 하며, 합성섬유의 원료, 호료 등으로도 사용된다.
본원발명의 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵 제조 시, 불순물이 제거된 맥주박에 점착성 접착제 물질로 PVA를 혼합하여, 맥주박이 서로 엉겨붙어 펄프컵 성형을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 PVA의 경우 생분해가 가능한 점착성 접착제 물질에 해당함으로써 맥주박과 PVA를 혼합하여 최종 제조된 펄프컵의 경우 100% 생분해가 가능함에 따라 환경 오염에 문제가 없는 친환경 펄프컵을 제공할 수 있다.
상기 불순물이 제거된 맥주박과 점착성 접착제 물질은 10:0.1 내지 10:1의 비율로 혼합될 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 10:0.1 내지 0.5일 수 있다.
상기 범위로 혼합하는 경우 맥주박과 점착성 접착제 물질의 유기적 결합이 우수하게 일어날 수 있으며, 상기 비율 범위를 벗어나는 경우에 비해 보다 우수한 내구성을 나타내는 펄프컵 제조가 가능할 수 있다.
이후, 상기 불순물이 제거된 맥주박에 점착성 접착제 물질을 혼합하여 유기적으로 결합된 혼합물을 건조하는 다섯번째 단계를 진행하게 된다.
상기 단계에서 건조는 일정량의 수분만을 남기기 위한 과정으로, 통상의 기술자의 수준에서 이용하는 방법을 이용할 수 있으며, 본원발명에서는 거즈를 이용하여 물기를 일부 제거하여 페이스트 형태가 되도록 할 수 있다.
상기 단계의 혼합물 내 수분 함유량은 5 내지 10%인 것이 바람직하며, 상기 범위보다 더 많은 수분을 함유하는 경우 소재의 부피가 크며 성형하기에 적합하지 않은 정도의 수분을 함유하고 있어 최종 제작되는 펄프컵의 내구성이 떨어질 수 있다. 이에, 상기 범위 내의 수분함유량을 포함하는 것이 바람직하다.
페이스트 형태의 혼합물을 상기 첫번째 단계에서 제조된 컵 틀에 도포한 후 석고로 제조된 틀을 이용하여 압축 및 건조과정을 통해 펄프컵을 성형하는 여섯번째 단계를 통해 펄프컵 제조가 이루어질 수 있다.
상기 압축은 고온 및 고압의 조건에서 이루어질 수 있으며, 상기 온도는 80 내지 100℃의 온도범위에서 고압으로 압축성형하는 과정에서 맥주박이 밀도있게 결합되어 결속력과 구조력이 강화되어 내구성 높은 형태의 펄프컵을 성형하게 된다.
이후, 상기 건조과정은 15 내지 25℃ 온도범위에서 24 내지 72시간 동안 이루어질 수 있으며, 보다 바람직하게는 18 내지 22℃ 온도범위에서 24 내지 48시간 동안 이루어지는 것일 수 있다.
상기 온도범위를 벗어나는 경우 제조되는 펄프컵에 균일이 일어나거나 건조가 제대로 이루어지지 않아 최종 펄프컵의 내구성이 감소할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 6) 단계의 성형된 펄프컵에 생분해성 코팅 조성물을 분사하여 코팅층을 형성하는 7) 단계를 더 포함하는 것이다.
상기 성형된 펄프컵은 PVA를 혼합하여 제조됨으로써 내구성이 우수하나, 내열성이 떨어질 수 있어, 본원발명에서는 생분해성 코팅 조성물을 도포하여 가열 건조시킴으로써 코팅층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 과정을 통해 코팅층이 형성된 펄프컵의 경우 내유성, 내수성, 내구성 및 내열성이 보다 향상되어 사용성이 우수한 펄프컵을 제공할 수 있으면서도, 생분해성 또한 높아 물성 및 생분해성이 높은 친환경 펄프컵을 제공할 수 있게 된다.
상기 생분해성 코팅 조성물은 생분해성 고분자 및 천연 추출물로 이루어지는 것이다.
상기 생분해성 고분자는 천연 고분자, 미생물 생산 고분자, 합성 고분자 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이다.
상기 천연 고분자는 곡물에서 추출되는 전분, 곡물이나 나무에서 얻을 수 있는 셀룰로오스, 꽃게나 새우의 껍질에서 얻을 수 있는 키틴 등을 포함하는 것이다. 천연 고분자는 합성 또는 미생물 생산 고분자에 비해 가공성은 낮으나 가격이 저렴한 편에 속하며, 특히 상기 전분은 자원이 풍부하여 공급이 원활하고, 무독성이며, 생분해 또한 우수하여 가공성을 향상시킬 수 있는 천연 고분자로 알려져 있다. 또한, 상기 키틴은 주로 의료용 생체 재료로 이용되고 있다.
상기 미생물 생산 고분자는 탄소원이 존재하고 영양분이 제한된 조건에서 미생물이 만들어내는 분해성 고분자인 것으로, 분해성과 물성면에서 뛰어나나 생산성과 용도가 제한되며, 가격 또한 고가인 단점이 있다. 상기 미생물 생산 고분자는 Poly(hydroxyalkanoate)인 PHA, Poly(hydrolybutyrate)인 PHB, Pullulan 과 같은 다당류(Polysaccharides) 등이 있다.
상기 합성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 지방족 폴리에스터, 폴리글리콜산 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이다.
상기 합성 고분자는 발효기술에 의해 제조된 아미노산 등의 원료를 중합공정을 통하여 화학 합성에 의해 제조된 고분자로, 물성 조절이 용이한 특징이 있다. 합성 고분자에는 폴리카프로락톤(Poly(caprolactone), PCL), 폴리팔트산(Poly(lactic acid), PLA), 지방족 폴리에스터(Polyester), 폴리글리콜산(Poly(glycolic acid), PGA) 등 다양한 종류가 개발되어 있다.
상기 폴리카프로락톤(PCL)은 ε-caprolactone을 개환중합한 고분자로, 비교적 저렴하며 기계적 물성이 우수한 반면, 녹는점이 60℃정도로 낮다.
상기 폴리락트산(PLA)은 녹말의 발효에서 얻어지는 락트산 또는 그 고리형 이합체인 락타이드를 원료로 하여 제조하는 친환경 바이오 고분자로 녹는점이 약 170℃ 정도이고, 강도가 우수하다.
상기 지방족 폴리에스터(Polyester)는 1,4-butanediol, ethylene glycol 등의 diol과 succinic acid, adipic acid 등의 산을 축중합한 것으로 가공성이 양호한 특징이 있다.
상기 폴리글리콜산(PGA)은 글리콜산으로부터 합성되었으며, 생체내에서 흡수 및 분해되는 특성으로 의료용 재료 및 플라스틱 재료로 사용되기도 한다.
바람직하게 본원발명에서 사용되는 생분해성 고분자는 폴리락트산(PLA)일 수 있다.
보다 상세하게, 상기 폴리락트산(PLA)을 이용하여 본원발명의 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵에 코팅층을 형성하는 경우 펄프컵의 내수성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 내유성 및 생분해성을 향상시킬 수 있어, 본원발명에서는 생분해성 고분자로 폴리락트산을 사용할 수 있다.
한편, 상기 내수성, 내유성 및 생분해성을 보다 향상시키기 위해 본원발명의 생분해성 코팅 조성물에 더 포함되는 천연 추출물은 카칼리아 추출물, 참나래박쥐나물 추출물, 산비장이 추출물 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이다.
상기 카칼리아(Emilia coccinea)는 쌍떡잎식물 초롱꽃목 국화과의 한해살이풀로 인도가 원산지이고 관상 식물로 재배한다. 잎은 어긋나고 긴 달걀 모양이며 가장자리에 둔한 톱니가 있고 잎자루가 없으며 분을 칠한 것처럼 보인다. 꽃은 6∼10월에 주황색이 도는 붉은 색으로 피고 가는 꽃줄기 끝에 두상화(頭狀花, 꽃대 끝에 꽃자루가 없는 작은 꽃이 많이 모여 피어 머리 모양을 이룬 꽃)가 달린다. 두상화는 관상화로 구성되며, 관상화의 화관은 5개로 갈라진다. 열매는 수과이다. 봄에 파종하며 성질이 강하다. 카칼리아란 과거의 속명(屬名)인 Cacalia에서 유래했으며, 불꽃씀바귀와 비슷하다.
상기 참나래박쥐나물(Cacalia auriculata var. alata Nakai)은 쌍떡잎식물 초롱꽃목 국화과의 여러해살이풀로 깊은 산에서 자란다. 줄기는 곧게 서고 높이가 1∼2m이며 밑 부분의 지름은 1.5cm이고 윗부분에서 가지가 갈라진다. 잎은 어긋나고 삼각형이며 끝이 뾰족하고 밑 부분이 약간 심장 모양이며 가장자리에 톱니가 있다. 줄기 중간 부분에 달린 잎은 길이가 15cm, 폭이 25cm이고, 잎자루는 날개가 있으며 밑 부분의 날개가 넓어 줄기를 감싼다. 꽃은 8월에 노란 색으로 피고 줄기 끝에 두상화가 원추꽃차례를 이루며 달린다. 총포 조각은 5∼6개이고 길이 13∼15cm의 줄 모양이며 1줄로 배열한다. 총포 밑에는 1∼2개의 포가 있고, 두상화는 10여 개의 관상화로 이루어졌다. 열매는 수과이고 줄 모양이며 줄이 있고 털이 없으며, 관모는 흰색이고 길이가 8mm이다. 어린잎을 식용한다. 한국 특산종으로 함경남도 운선령, 포태산, 최가령 등지에 분포한다.
상기 산비장이(Serratula coronata L. subsp. insularis Kitamura, Masturicum insulare (Iljin) Kitag.)는 쌍떡잎식물 초롱꽃목 국화과의 여러해살이풀로 산지에서 자란다. 높이 30∼140cm이며 세로줄이 있고 뿌리줄기가 나무처럼 단단하며 줄기는 곧게 선다. 뿌리에 달린 잎은 달걀 모양 긴 타원형으로서 끝이 뾰족하고 깃처럼 완전히 갈라진다. 갈래조각은 타원형이고 가장자리에 불규칙한 톱니가 있으며 잎자루는 길이 11∼30cm이다. 줄기에 달린 잎은 뿌리에 달린 잎과 비슷하지만 위로 갈수록 크기가 작아진다. 꽃은 7∼10월에 연한 붉은 자줏빛으로 피고 두화 (頭花)는 지름 3∼4cm이며 가지 끝과 줄기 끝에 1개씩 달린다. 총포는 종 모양이고 노란빛을 띠는 녹색이다. 포조각은 6줄로 늘어서는데, 바깥조각과 가운뎃조각은 끝이 뾰족하고 겉에 거미줄 같은 털이 약간 난다. 열매는 수과(瘦果)로서 원통형이며 길이 약 6mm이다. 관모는 길이 11∼14mm로서 갈색이고 깃 같은 털이 없다. 어린순을 나물로 먹는다. 한국·일본에 분포한다. 본원발명에서 상기 산비장이의 잎을 사용하는 것일 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 생분해성 코팅 조성물은 폴리락트산에 카칼리아 추출물, 참나래박쥐나물 추출물 및 산비장이 추출물을 포함함으로써 폴리락트산 만을 포함하는 경우에 비해 보다 더 향상된 내수성, 내유성, 내열성 및 내구성을 나타낼 수 있으면서도 우수한 생분해성을 나타낼 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 폴리락트산 100 중량부에 대하여 카칼리아 추출물 30 내지 50 중량부, 참나래박쥐나물 추출물 30 내지 50 중량부 및 산비장이 추출물 30 내지 50 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 중량부 범위 내에서 복합 조성물로 사용하는 경우, 폴리락트산과 각 추출물의 상호 작용에 의한 상승효과로 임계적 의의가 있는 정도의 상승효과가 발현되며, 생분해성 고분자 만을 포함하는 경우에 비해 높은 생분해성을 가지며, 펄프컵의 물성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 범위를 벗어나는 경우 상승효과가 급격히 저하되거나 거의 없게 된다.
상기 천연 추출물은 물, C1 내지 C6의 저급 알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 추출 용매를 이용하여 추출되는 것이다.
구체적으로, 상기 천연 추출물을 제조하기 위해서는 천연물을 세척하는 단계; 세척 후 건조시키는 단계; 건조 후 천연물을 분쇄하는 단계; 알코올 용매를 사용하여 상기 분쇄물을 침출시키는 단계; 시료를 침출 후 건조시키는 단계; 물을 이용하여 침출시키는 단계; 및 침출하는 단계를 포함하여, 천연 추출물을 획득할 수 있다.
상기 알코올 용매를 사용하여 추출한 천연 추출물은 알코올 용매를 사용하여 분획을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추출물을 제조하는 방법은 초음파 추출법, 침출법 및 환류 추출법 등 당업계의 통상적인 추출 방법일 수 있다. 구체적으로 세척 및 건조로 이물질이 제거된 천연물을 물, 탄소수 1 내지 6의 알코올 또는 이들의 혼합 용매로 추출한 추출물일 수 있으며, 상기 용매들을 순차적으로 시료에 적용하여 추출한 추출물일 수도 있다.
상기 초음파 추출법은 30 내지 50℃, 0.5 내지 2.5시간 동안 및 50 내지 100%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다. 구체적으로는 40 내지 50℃, 1 내지 2.5시간 동안 및 70 내지 80%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다.
상기 침출법은 15 내지 30℃, 24 내지 72시간 동안 및 50 내지 100%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다. 보다 구체적으로는 20 내지 25℃, 30 내지 54시간 동안 및 70 내지 80%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다.
상기 환류 추출법은 탄소수 1 내지 6의 알코올 100mL기준으로, 천연물의 분쇄물 10 내지 30g, 환류 시간 1 내지 3시간 및 50 내지 100%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 6의 알코올 100mL기준으로, 천연물의 분쇄물 10 내지 20g, 환류 시간 1 내지 2시간 및 70 내지 90%의 탄소수 1 내지 4의 알코올에 의한 것이다.
상기 추출 용매는 시료의 중량 기준으로 2 내지 50배를 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 2 내지 20배이다. 추출을 위해 시료는 추출 용매에서 침출을 위해 1 내지 72 시간 동안 방치될 수 있으며, 보다 구체적으로 24 내지 48시간 동안 방치될 수 있다.
추출 후, 추출물은 새로운 분획 용매를 순차적으로 적용하여 분획할 수 있다. 분획시 사용하는 분획 용매는 상기 용매는 물, 헥산, 부탄올, 에틸아세트산, 에틸 아세테이트, 메틸렌클로라이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 에틸아세테이트 또는 메틸렌클로라이드이다.
추출물 또는 분획물을 얻은 후에는 농축 또는 동결건조 등의 방법을 추가적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵은 상기 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조 방법을 이용하여 제조된 것이다.
본 발명은 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법 및 이로 제조된 생분해성 펄프 컵을 제공함으로써 생분해성이 우수하여 친환경적이면서도 내구성, 내열성, 내수성, 내유성 등 물성이 우수한 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법에 관한 순서도이다.
도 2는 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법에 관한 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예 1: 생분해성 코팅 조성물의 제조]
1. 천연 추출물의 제조
카칼리아를 세척하고 건조한 뒤 이를 분쇄하였다. 상기 분쇄물을 물에 혼합하고 이를 4시간 동안 98 내지 100℃를 유지하고, 이를 냉각시킨 뒤 와트만 여과지로 여과하여 카칼리아 추출물(EE)을 제조하였다.
참나래박쥐나물 및 산비장이의 경우에도 상기 카칼리아 추출물(EE)의 제조방법과 동일한 방법을 이용하여 참나래박쥐나물 추출물(CE) 및 산비장이 추출물(SE)을 제조하였다.
2. 생분해성 코팅 조성물의 제조
상기 제조된 카칼리아 추출물(EE), 참나래박쥐나물 추출물(CE) 및 산비장이 추출물(SE)을 생분해성 고분자 PLA와 하기 표 1의 함량 범위로 혼합하여 생분해성 코팅 조성물(BCC1 내지 BCC8)로 제조하였다.
BCC1 BCC2 BCC3 BCC4 BCC5 BCC6 BCC7 BCC8 BCC9
PLA 100 100 100 100 100 100 100 100 100
EE - 40 - - 20 30 40 50 60
CE - - 40 - 20 30 40 50 60
SE - - - 40 20 30 40 50 60
(단위 : 중량부)
[제조예 2: 맥주박을 포함하는 펄프컵의 제조]
본원발명에 따른 생분해성 코팅의 유무 및 상기 생분해성 코팅 조성물의 중량부 차이에 따른 효과를 확인하기 위하여 맥주박을 포함하는 펄프컵을 제조하였다.
알지네이트와 물을 1:1 비율로 섞어 준 후 펄프컵의 컵 모양 틀을 제조하였으며, 석고와 물을 1:2 비율로 혼합하여 압력을 가해 줄 틀을 제조하였다. 이후, 맥주박을 증류수에 세척하고 데시케이터에 75℃에서 80분 동안 열풍건조한 뒤, 60 내지 80mesh 크기로 분쇄하여 분말형태의 맥주박을 제조하고, 상기 분말형태의 맥주박은 깨끗한 증류수에 넣어 침전시킴으로써 불순물을 제거하였으며 이는 3회 반복하여 최종 불순물이 제거된 맥주박을 수득하였다. 상기 불순물이 제거된 분말형태의 맥주박과 PVA를 10:0.2 비율로 혼합한 후 수분 함유량이 5 내지 10%가 되도록 거즈를 이용하여 물기를 제거하여 PAST형태의 혼합물을 준비하였으며, 상기 컵 모양 틀과 석고로 제조된 압력을 가해 줄 틀을 이용하여 80 내지 100℃의 고온과 고압으로 압축 성형한 후, 18 내지 22℃ 온도에서 24시간 동안 건조하여 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵(MBP CUP)을 제조하였다.
추가로, 상기 제조된 생분해성 펄프컵(MBP CUP)에 하기 표 2에 기재된 생분해성 코팅 조성물을 각각 도포하여 60℃의 온도에서 가열 건조시킴으로써 코팅층이 형성된 생분해성 펄프컵(C1 내지 C9)를 추가 제조하였다.
BSG CUP CUP 1 CUP 2 CUP 3 CUP 4 CUP 5 CUP 6 CUP 7 CUP 8 CUP 9
생분해성코팅 조성물 - BCC1 BCC2 BCC3 BCC4 BCC5 BCC6 BCC7 BCC8 BCC9
[실시예 1: 맥주박을 포함하는 펄프컵의 물성 평가]
상기 제조예 2에서 제조된 본원발명의 맥주박을 포함하는 펄프컵의 물성 평가를 진행하여 하기 표 3 내지 표 5에 나타내었다. 실험의 객관적인 평가를 위해 제조예 2와 동일한 펄프컵에 코팅을 진행하지 않은 것(BSG CUP)을 비교예 1으로, 시중에서 판매되는 PE가 적용된 종이컵을 비교예 2로, 시중에서 판매되는 PLA가 적용된 종이컵을 비교예 3으로 하여 물성을 평가하였다.
내유성은 미국제지펄프기술협회 시험법 (TAPPI T559cm-02)으로 시험하였으며, 내수성은 제지산업의 통상적인 방법 중 하나인 일명 Cobb size 시험방법(TAPPI T441)을 사용하였다. 내구성은 상온수를 투입하고 85℃에 5시간 동안 보관하여 누수 현상을 확인하였으며, 내열성은 제조된 펄프컵을 100℃에서 3시간 방치하기 전과 후의 치수 변화율을 계산하여 측정함으로써 계산하였다.
[수학식 1]
|V1-V0| / |V0| x 100 ≤ 5%
V0 : 100℃에서 3시간 동안 노출 전 컵의 체적(mm3)
V1 : 100℃에서 3시간 동안 노출 후 컵의 체적(mm3)
생분해성은 환경마크 인증기준 (EL606)에 의거한 시험으로 잔여불순물 여부와 점착성 여부를 판단하였으며, 생분해성은 KS M3100-1을 준용하여, 180일간의 시료와 표준물질의 생분해도 변화의 비를 백분율로 표시했다.
항목 CUP 1 CUP 2 CUP 3 CUP 4 CUP 5 CUP 6 CUP 7 CUP 8 CUP 9 비교예1(BSG CUP) 비교예2 비교예3
내유성 3 4 4 4 3 6 6 6 4 없음 5 6
내수성 8.1 8.4 8.5 8.5 8.6 9.0 9.0 9.2 8.6 24.1 9.2 8.4
(단위 : g/m2)
상기 표 3을 참고하면, 본 발명에 제시된 방법을 통해 코팅된 펄프컵은 내수성, 내유성 및 내구성 등 수분과 유분이 함유된 식품용기에 적합한 물성을 발휘하였다. 특히, CUP 2 내지 CUP 4 및 CUP 6 내지 CUP 8의 경우 내유성 kit # 4 이상을 달성하였고, CUP 1 내지 CUP 9 모두 10.0g/㎡ 이하의 내수성을 보였으며, 바람직한 중량부의 생분해성 코팅 조성물에 의해 코팅된 CUP 6 내지 CUP 8의 경우, 보다 더 우수한 내유성, 내수성 및 내구성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 비교예 2 및 비교예 3보다 유사하거나 보다 더 우수한 정도의 물성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
항목 CUP 1 CUP 2 CUP 3 CUP 4 CUP 5 CUP 6 CUP 7 CUP 8 CUP 9 비교예1(BSG CUP) 비교예2 비교예3
내구성 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음 누수없음
내열성 0.7 0.64 0.64 0.62 0.68 0.41 0.41 0.38 0.67 1.2 0.6 0.8
상기 표 4를 참조하면, 본원발명 코팅 조성물에 의한 코팅층이 형성되지 않은 BSG CUP의 경우 내열성이 다소 떨어지는 경향을 나타내었으나, 코팅 조성물을 도포하여 코팅층이 형성된 CUP1 내지 CUP9의 경우 내열성이 향상되었음을 확인할 수 있으며 특히 바람직한 중량부의 코팅 조성물 함량이 도포된 CUP6 내지 CUP8의 경우 내열성이 비교예 2 및 비교예 3에 비해 보다 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 내구성의 경우 모든 CUP에 있어서 누수가 발생하지 않은 것을 통하여, 본원발명의 맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 경우 내구성이 우수한 것임을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
항목 CUP 1 CUP 2 CUP 3 CUP 4 CUP 5 CUP 6 CUP 7 CUP 8 CUP 9 비교예1(BSG CUP) 비교예2 비교예3
해리성 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리됨 해리불가 해리불가
생분해성(%) 81 85 86 85 81 93 94 94 82 86 50 79
(단위 : %)
상기 표 5를 참조하면, 알칼리 해리성을 나타내어 제지산업에서 사용 후 수거하여 원료로 재활용할 수 있으며, 생분해성은 퇴비화 조건에서 호기적 생분해성을 가짐을 확인하였다. 특히, 비교예 2 및 비교예 3에 비해 본원발명의 BSG CUP, CUP1 내지 CUP9 모두 80% 이상의 생분해성을 나타내어 맥주박을 포함하여 제조된 생분해성 펄프컵의 경우 친환경 펄프컵을 제공할 수 있음을 확인할 수 있으며 특히 CUP6 내지 CUP8의 경우 90% 이상의 생분해성을 나타냄을 알 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 펄프컵은 한국식품의약품안전청 2013년 고시 식품공전 <제7. 기구 및 용기 포장에 대한 기준 및 규격>의 종이제 및 가공지제의 시험규격에 부합하는 결과를 보였다.
결과적으로, 본 발명의 펄프컵은 생분해성이 우수하여 친환경적이면서도 내유성, 내수성, 내구성 및 내열성을 가진 펄프컵으로의 우수한 물성을 갖고 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

1) 인상재를 이용하여 컵 틀을 제작하는 단계;
2) 맥주박을 건조시킨 후 분쇄하여 전처리하는 단계;
3) 상기 전처리된 맥주박 내 불순물을 제거하는 단계;
4) 불순물이 제거된 맥주박에 점착성 접착제 물질을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계;
5) 상기 4)단계에서 제조된 혼합물을 건조하는 단계; 및
6) 상기 5)단계의 수분이 제거된 혼합물을 상기 1)단계에서 제조된 컵 틀에 도포한 후 압축 및 건조과정을 통해 펄프컵을 성형하는 단계를 포함하는
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 점착성 접착제 물질은 PVA(Polyvinyl Alcohol)인
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법.
제 1항에 있어서,
7) 상기 6) 단계의 성형된 펄프컵에 생분해성 코팅 조성물을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법.
제 3항에 있어서,
상기 생분해성 코팅 조성물은 생분해성 고분자 및 천연 추출물로 이루어지는 것인
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 생분해성 고분자는 천연 고분자, 합성 고분자, 미생물 생산 고분자 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 합성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 지방족 폴리에스터, 폴리글리콜산 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵의 제조방법.
제 1항 내지 제6항에 따른 제조방법으로 제조된
맥주박을 포함하는 생분해성 펄프컵.
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KR102115881B1 (ko) 2018-10-25 2020-05-27 (주)세림비앤지 생분해성 라미네이팅이 다층 코팅된 커피 및 음료용 생분해성 종이컵
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