KR20240008818A - 밀기울과 폐바이오매스를 이용한 친환경 포장재 또는 완충재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밀기울과 폐바이오매스를 이용한 친환경 포장재 또는 완충재의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법을 통해 포장재 또는 완충재를 제조할 경우 농업부산물과 폐바이오매스를 활용함에 따라 원료비용과 제조공정에 소요되는 시간을 줄여 생산비용을 매우 절감할 수 있다.
Description
본 발명은 밀기울과 폐바이오매스를 이용한 친환경 포장재 또는 완충재의 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 음식 배달과 택배 등의 비대면 소비문화로 인해 포장재, 완충재, 폐기물 등에 대한 우려도 커지고 있다. 온라인 쇼핑몰과 배달업계에서 1회 용품이나 충전재 사용 줄이기에 나서고 있지만 역부족이라는 지적이 나오고 있다. 특히 친환경을 중시하는 소비자가 늘어나면서 화학 업계에서는 재생 가능한 원료를 사용하여 제조된 포장재 또는 완충재를 활용하는 방법 등을 동원해 가치소비를 충족하겠다는 움직임이 생겨나고 있다.
기존에 널리 사용되고 있는 포장재로는 폴리프로필렌과 같은 합성수지를 사출, 압출 및 열성형한 플라스틱제 제품이 많이 사용되고 있으며, 완충재로는 발포폴리스타이렌(스티로폼)이 사용되고 있으나, 재활용이 어렵고 소각이나 매립에 따른 환경 호르몬 누출, 맹독성의 다이옥신 검출, 폐기물의 불완전 연소에 의한 대기오염 등과 같은 심각한 환경오염을 야기하는 단점이 있다. 또한 폐플라스틱을 매립하는 경우 자연에서 분해되는데 수백년이 걸려 환경오염의 주범으로 지적되고 있는 실정이다. 이러한 심각한 환경오염 문제를 해결하기 위해 토양 중의 미생물에 의해 생분해되어 자연으로 빠른 시간에 순환되고 자연과 융합되어 환경오염을 일으키지 않는 환경 친화적인 생분해성 플라스틱이 중요하게 되었다.
생분해성 플라스틱 제품은 사람들의 환경인식 변화와 정부의 지침에 의해서 사용량이 매년 증가하고 있으나, 아직 선진국에 비해서 미흡한 실정이다. 최근에서 생분해성 플라스틱에 관한 연구가 활발하게 진행되어, 기존의 합성수지와 물리적인 성질 및 가공면에서 유사하고, 사용 후에는 기존 합성 플라스틱과는 달리 자연계의 미생물에 의해 쉽게 분해되고 자연으로 순환되어 환경오염을 일으키지 않는 생분해성 고분자가 많이 개발되고 있다.
지금까지 개발되어 있는 생분해성 고분자 중에서, 천연물 생분해성 고분자의 예로는 전분, 셀룰로오스, 키틴, 키토산, 천연고무, 펄프 등이 있고, 미생물생산 고분자의 예로는 PHB(Polyhydroxybutyrate), PHV(Polyhydroxyvalerate), 풀루란(Pullulan), 커들란(Curdlan), 잔탄검(Xanthan gum), 알지네이트(Alginate), 폴리아미노산(폴리글루타민산, 폴라라이신) 등이 있으며, 화학합성계 생분해성 고분자의 예로는 폴리유산(Polylactic acid), 폴리카프로락톤(Polycaprolactone), 폴리오르토에스테르(Polyorthoester), 포스파젠(Phosphagene), 디올/디액시드 알리파틱 폴리에스테르(Diol/Diacid aliphatic polyester) 등이 있다. 그러나 이들 생분해성 고분자에 들어가는 원료들이 대부분 고가라서 제품의 원가를 상승시켜 소비자의 부담을 가중시키는 문제점이 있었으며, 화학합성 생분해성 수지들은 그간의 수많은 노력에도 수지 재료로서 이용하기에는 문제점들이 많았다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 천연재료를 이용한 생분해성 수지 조성물 개발을 위한 연구가 이루어지고 있다.
한편, 한국등록특허 제2203153호에는 '은행나무 추출물을 이용한 식품용 포장재 및 그 제조방법'이 개시되어 있고, 한국공개특허 제2016-0148291호에는 양파껍질 또는 마늘껍질과 같은 '양념채소표피를 이용한 친환경 포장재의 제조방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 밀기울과 폐바이오매스를 이용한 친환경 포장재 또는 완충재의 제조방법에 대해서는 기재된 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 밀기울과 수산화칼륨(KOH) 수용액을 혼합하여 밀기울을 연화시키고, 상기 연화된 밀기울과 폐바이오매스(볏짚 분쇄물, 코코넛 분쇄물 또는 폐종이박스 분쇄물)를 혼합하고 염산을 처리하여 pH를 7~8 사이로 맞춰 밀기울 점토를 제조한 후, 상기 밀기울 점토를 성형몰드에 넣고 140℃의 오븐에서 8시간 동안 열처리하여 3차원 구조체를 제조하였다. 또한, 밀기울 대비 폐종이박스 분쇄물의 함유량을 9% 또는 17%로 다르게 하여 구조체를 제작한 후 압축강도를 측정한 결과, 폐종이박스 분쇄물이 9%로 함유된 구조체보다 17%로 함유된 구조체에서 강도가 더 높음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 (1) 밀기울을 염기성 용액과 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계; (2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울에 폐바이오매스를 혼합하고 산을 처리하여 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형(成形)한 후 열처리하는 단계;를 포함하는, 생분해성 포장재 또는 완충재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 생분해성 포장재 또는 완충재를 제공한다.
본 발명의 제조방법을 통해 포장재 또는 완충재를 제조할 경우 농업부산물과 폐바이오매스를 활용함에 따라 원료비용과 제조공정에 소요되는 시간을 줄여 생산비용을 매우 절감할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법으로 제조된 포장재 또는 완충재는 생분해가 가능한 소재이므로 사용 후 폐기 시에 환경오염을 유발하지 않는다.
도 1은 밀기울과 폐바이오매스(왼쪽부터 볏짚 분쇄물, 코코넛 분쇄물, 폐종이박스 분쇄물)을 이용하여 제조한 구조체를 보여주는 사진이다.
도 2는 밀기울에 폐종이박스 분쇄물을 혼합하여 제조된 밀기울 점토를 몰드에 넣은 후 열처리하여 제조한 와인포장용 구조체를 보여주는 사진이다.
도 3은 폐종이박스 분쇄물의 함유량을 9% 또는 17%로 다르게 하여 밀기울과 혼합하고, 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정한 결과이다.
도 4는 볏짚 분쇄물의 함유량을 14 또는 22%로 다르게 하여 밀기울과 혼합하고, 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정한 결과이다.
도 5은 코코넛 부산물(껍질) 분쇄물의 함유량을 14% 또는 22%로 다르게 하여 밀기울과 혼합하고, 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정한 결과이다.
도 2는 밀기울에 폐종이박스 분쇄물을 혼합하여 제조된 밀기울 점토를 몰드에 넣은 후 열처리하여 제조한 와인포장용 구조체를 보여주는 사진이다.
도 3은 폐종이박스 분쇄물의 함유량을 9% 또는 17%로 다르게 하여 밀기울과 혼합하고, 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정한 결과이다.
도 4는 볏짚 분쇄물의 함유량을 14 또는 22%로 다르게 하여 밀기울과 혼합하고, 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정한 결과이다.
도 5은 코코넛 부산물(껍질) 분쇄물의 함유량을 14% 또는 22%로 다르게 하여 밀기울과 혼합하고, 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정한 결과이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(1) 밀기울을 염기성 용액과 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울에 폐바이오매스를 혼합하고 산을 처리하여 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형(成形)한 후 열처리하는 단계;를 포함하는, 생분해성 포장재 또는 완충재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어서, 상기 (1) 단계의 염기성 용액은 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 규산나트륨, 메타규산나트륨, 인산나트륨 및 수산화암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 가장 바람직하게는 수산화칼륨일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어서, 상기 산은 염산, 황산, 질산, 인산 및 붕산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어, 상기 (2) 단계의 폐바이오매스는 볏짚, 코코넛 부산물(껍질) 및 폐종이로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어서, 상기 (1) 단계의 밀기울과 염기성 용액을 혼합하면 밀기울이 연화되어 젤리 형태의 물성을 지니게 되며, 젤리화된 밀기울은 폐바이오매스와 혼합하여 구조체를 형성할 수 있는 천연소재 기반 바인더 역할을 한다.
또한, 본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어서, 상기 (2) 단계의 연화된 밀기울과 폐바이오매스의 혼합 비율을 조절하여 성형물의 물성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에 있어서, 상기 생분해성 포장재 또는 완충재의 제조방법은 구체적으로는,
(1) 밀기울을 수산화칼륨 용액과 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울에 폐바이오매스를 혼합하고 산을 처리하여 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형(成形)한 후 열처리하는 단계;를 포함할 수 있고,
더욱 구체적으로,
(1) 밀기울 100 중량부에 대해 1N 수산화칼륨 용액 400~600 중량부를 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울 100 중량부에 대해 폐바이오매스 8~25 중량부를 혼합하고 산을 처리하여 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형한 후 130~150℃에서 6~10시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있으며,
더 더욱 구체적으로는,
(1) 밀기울 100 중량부에 대해 1N 수산화칼륨 용액 400~600 중량부를 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울 100 중량부에 대해, 폐종이 16~18 중량부, 볏짚 13~15 중량부 또는 코코넛 부산물 21~23 중량부를 혼합하고 산을 처리하여 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형한 후 130~150℃에서 6~10시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있으며,
더 더욱 구체적으로는,
(1) 밀기울 100 중량부에 대해 1N 수산화칼륨 용액 500 중량부를 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울 100 중량부에 대해, 폐종이 17 중량부, 볏짚 14 중량부 또는 코코넛 부산물 22 중량부를 혼합하고 염산을 처리하여 pH 7~8로 조절된 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형한 후 140℃에서 8시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
보다 구체적으로는,
(1) 밀기울 180~220g을 1N 수산화칼륨 용액 800~1,200㎖과 혼합하여 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울에 폐바이오매스 150~220g을 혼합하고 산을 처리하여 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형한 후 130~150℃에서 6~10시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 제조방법으로 제조된 생분해성 포장재 또는 완충재를 제공한다.
본 발명의 생분해성 포장재 또는 완충재는 압축 강도가 우수하므로, 공업 제품 또는 농산물 등을 포장하거나, 내용이 파손되거나 변형되는 것을 방지하기 위해 충격을 흡수 또는 완화시키기 위한 용도로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 본 발명의 포장재 또는 완충재의 제조방법
밀기울(wheat barn) 분말 200g과 1N 수산화칼륨(KOH) 1,000㎖를 혼합하고, 밀기울이 완전히 연화될 때까지 30분간 반응시킨 후 상기 연화된 밀기울 1,200g과 폐바이오매스(볏짚 분쇄물, 코코넛 껍질 분쇄물 또는 폐종이박스 분쇄물) 170g을 혼합하였다. 이후 pH를 7~8 사이로 조절하기 위해 12N 염산(HCl) 60 ㎖를 첨가하여 밀기울 점토를 제조하였다. 상기 밀기울 점토를 성형 몰드에 넣고, 140℃ 오븐(Furnace)에서 8시간 동안 열처리하여 구조체를 제조하였다(도 1). 또한, 밀기울에 폐종이박스 분쇄물을 혼합하여 제조된 밀기울 점토를 몰드에 넣은 후 열처리하여 와인포장용 구조체를 제조하였다(도 2).
실시예 1. 본 발명의 포장재 또는 완충재의 압축강도 측정
폐종이박스 분쇄물의 함유량을 9% 또는 17%로, 볏짚 분쇄물의 함유량을 14% 또는 22%로, 코코넛 부산물(껍질) 분쇄물의 함유량을 14% 또는 22%로 다르게 하여 밀기울과 각각 혼합하고 구조체를 제조한 후 압축강도를 측정하였다. 압축강도 시험은 KS F 2206 [목재의 압축 시험 방법]에 따라 측정하였으며, 구체적으로 전기톱을 이용하여 구조체를 2cm×2cm×5cm로 재단한 후, 큐머시스사의 QM100SE 장비(만능재료시험기)를 활용하여 상기 재단된 구조체의 압축 강도를 3반복하여 측정하였다.
그 결과, 폐종이박스 분쇄물이 9% 또는 17%로 함유된 구조체의 압축강도는 각각 541 kPa, 1,197 kPa이고(도 3), 볏짚 분쇄물이 14% 또는 22%로 함유된 구조체의 압축강도는 각각 1,142 kPa, 1,052 kPa이며(도 4), 코코넛 껍질 분쇄물이 14% 또는 22%로 함유된 구조체의 압축강도는 각각 396 kPa, 653 kPa임을 확인하였다(도 5).
기존 포장재로 많이 사용되고 있는 상업용 양면골판지는 품질기준에 따라 1종부터 4종까지 구분되며, 이들 양면골판지의 강도는 각각 539 kPa, 687 kPa, 883 kPa, 1,079 kPa 정도를 기준으로 하고 있다(Corrugated packaging logistics, 8(36), 101-111, 2001). 이러한 점으로 보아, 본 발명의 구조체는 기존 포장재 또는 완충재를 대체하여 폐기물의 발생과 처리 비용을 최소화할 수 있을 것이다. 또한, 밀기울과 폐바이오매스의 혼합 비율을 조절함에 따라 다양한 물성을 가지는 구조체의 제조가 가능하므로, 필요에 따라 밀기울과 폐바이오매스를 적절히 혼합하여 용도에 맞게 제조할 수 있을 것이다.
Claims (1)
- (1) 밀기울 100 중량부에 대해 1 노르말 농도의 수산화칼륨 용액 500 중량부를 혼합하여 30분간 반응시켜 밀기울을 연화시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계의 연화된 밀기울 100 중량부에 대해, 코코넛 껍질 분쇄물 22 중량부를 혼합하고 12 노르말 농도의 염산을 처리하여 pH 7~8로 조절된 밀기울 점토를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 (2) 단계의 밀기울 점토를 성형한 후 140℃에서 8시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하는, 생분해성 완충재의 제조방법.
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