KR20240027051A - 재활용 가능한 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재활용 가능한 재료에 관한 것이다. 상기 재활용 가능한 재료는 30 내지 97 중량 퍼센트의 셀룰로오스 재료, 2 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 단백질 결합제(protein binder), 1 내지 20 중량 퍼센트의 적어도 하나의 알코올류 및/또는 적어도 하나의 에스테르류(ester), 0 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 첨가제를 포함한다. 또한, 본 발명은 재활용 가능한 재료를 생산하기 위한 프로세스 및 재활용 가능한 재료로부터 생산된 성형 부품에 관한 것이다.

Description

재활용 가능한 재료
본 발명은 성형 부품(molded part)을 생산하기에 적합한 재활용 가능한 재료, 재활용 가능한 재료로부터 성형 부품을 생산하는 방법 및 이에 의해 생산된 성형 부품에 관한 것이다.
2017년 전세계적으로 약 3억 4,800만 톤의 석유 기반 플라스틱이 생산되었다. 이 값싸고 다양한 용도로 사용되는 재료의 약 절반은 가방, 빨대, 일회용 병과 같이 한 번만 사용되는 제품으로 가공된다. 이러한 제품을 생산하는 데 사용되는 모든 에너지, 노동력, 원자재를 고려할 때 그 혜택은 매우 짧다. 이러한 일회용품 중 상당수는 제대로 폐기되지 않고 환경, 특히 바다로 흘러 들어가 분해성이 낮아 수십 년 동안 방치된다. 또한 환경에 유해한 화학물질, 특히 가소제가 씻겨 나가면서 수질과 토양 오염으로 이어지기도 한다. 올바르게 폐기되는 플라스틱 제품 중 대부분은 여전히 소각되거나 매립지에 버려지고 있다.
또 다른 문제는 플라스틱 제품을 제조하려면 석유, 많은 양의 에너지와 담수가 필요하다는 것이다. 따라서, 석유 기반 플라스틱은 에너지와 환경의 균형이 좋지 않다.
따라서, 몇 년 전부터 재생 가능한 천연 재료로 만든 플라스틱이 특히 일회용품 생산에 점점 더 많이 사용되고 있다. 문제는 이러한 플라스틱의 대부분이 감자, 쌀, 옥수수와 같이 식용으로도 사용되는 원료를 주원료로 한다는 것이다.
종이나 판지와 같이 일회용품 생산에 사용할 수 있는 많은 재활용 가능한 재료는 플라스틱 재료만큼 쉽게 성형할 수 없어 대량 생산에 적합하지 않다.
따라서, 식품과 경쟁하지 않거나 제한된 범위 내에서만 경쟁하는 천연 원료로 구성되고 석유 기반 플라스틱 재료만큼 쉽고 다양한 방법으로 가공할 수 있는, 재활용 가능한 재료를 사용할 수 있다면 유리할 것이다.
본 발명의 목적은 다양한 성형 부품을 성형하는 데 적합한 재활용 가능한 재료를 제공하는 것이며, 상기 재료는 다양한 형태로 형성이 용이하고, 사용 후 특히 퇴비화를 통해 환경 친화적인 방식으로 재활용 또는 처분이 가능하다.
이 목적은 청구항 제1항에 따른 특징에 의해 해결된다. 본 발명에 따르면, 재활용 가능한 재료는 30 내지 97 중량 퍼센트의 셀룰로오스 재료, 2 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 단백질 결합제, 1 내지 20 중량 퍼센트의 적어도 하나의 알코올류 또는 에스테르류, 및 0 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 첨가제를 포함한다.
이 재료는 전적으로 천연 원료로 구성되어 있어 환경 친화적이다. 셀룰로오스 재료의 함량이 높기 때문에 이 재료로 만든 재료 또는 성형 부품은 종이, 판지 또는 보드지 재활용 사이클에 투입할 수 있으므로 쉽고 반복적으로 재활용할 수 있다. 또한, 이 재료는 가정용 퇴비에서도 완전히 퇴비화되므로 환경 친화적인 폐기가 가능하다. 단백질 결합제를 사용하여 열가소성 플라스틱처럼 쉽게 성형할 수도 있다.
본 출원에서 재활용 가능한 재료는, 가공이 가능하고 주성분(이 경우 셀룰로오스 재료)이 새로운 재료(이 경우 종이, 판지 또는 보드지)를 생산하기 위한 출발 재료로 사용될 수 있는 재료를 의미하는 것으로서 이해된다.
본 발명에 따른 재활용 가능한 재료 또는 그로부터 형성된 성형 부품은 물, 예를 들어 펄퍼(pulper)에서 용해될 수 있으며, 이에 따라 셀룰로오스 재료는 분리되어 종이, 판지 또는 보드지로 추가 가공될 수 있다. 재활용 가능한 재료에 존재하는 다른 구성 요소는 완전히 생분해되거나 문제가 되지 않을 정도로 소량으로 존재하여, 재료가 특히 폐수를 통해 쉽고 환경 친화적인 방식으로 폐기 될 수 있도록 한다. 또한, 재활용 가능한 재료의 단백질 결합제 및 다른 구성 요소는 적절한 가공 방법을 사용하여 분리하여 재사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 재활용 가능한 재료를 사용하면 높은 비율의 셀룰로오스 재료를 재활용 사이클에 공급할 수 있음이 입증되었다. 출원인이 수행한 일련의 테스트에서 셀룰로오스 재료의 재활용 가능성은 95% 이상의 값을 보였다.
재활용 가능한 재료 또는 이 재료로 만든 성형 부품을 재활용하지 않을 경우 퇴비에서 완전히 분해할 수 있다. 사용된 재료는 DIN/EN 13432:2000의 표준에 따라 가정용 퇴비 및 산업용 퇴비 모두에서 완전히 분해될 수 있다. 또한 재활용 가능한 재료 또는 이를 통해 만들어진 성형 부품은 ISO 16221:2001의 사양에 따라 자연 및 물에서 무해하게 분해된다.
재활용 가능한 재료는 가공 중, 특히 물과 같은 용매를 첨가하거나 열에 노출될 때 열가소성 특성을 나타내므로, 사출 성형, 압출 성형, 프레스 성형, 주조 성형, 회전 성형 또는 진공 성형과 같이 폴리머 가공에서 알려진 방법을 사용하여 성형 부품으로 가공할 수 있다. 이 재료는 소결(sintering) 또는 3D 프린터를 사용하여 성형 부품으로 가공할 수도 있다.
따라서 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료는 석유 기반 플라스틱에 대한 환경 친화적인 대안을 제공한다.
셀룰로오스 재료는 섬유질 또는 분말 형태가 바람직하다. 셀룰로오스 재료가 분말로 존재하는 경우, 분말의 평균 입자 크기는 100 내지 1000μm, 바람직하게는 150 내지 250μm 이다.
셀룰로오스 재료는 바람직하게는 30 내지 97 중량 퍼센트, 특히 바람직하게는 40 내지 90 중량 퍼센트, 특히 바람직하게는 51 내지 85 중량 퍼센트, 가장 바람직하게는 60 내지 80 중량 퍼센트로 재활용 가능한 재료에 존재하는 것이 바람직하다.
본 출원에서, 단백질 결합제는, 접착제의 특성을 가지며 경화될 수 있는 단백질 또는 단백질 혼합물로 이해된다. 단백질 결합제는 열을 가하거나 물을 첨가하면 부드러워져, 재활용 가능한 재료의 형태를 변형할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 단백질 결합제를 사용함으로써, 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료의 열가소성 거동을 특성할 수 있다.
적어도 하나의 단백질 결합제는 2 내지 45 중량 퍼센트, 더 바람직하게는 10 내지 30 중량 퍼센트, 특히 바람직하게는 15 내지 25 중량 퍼센트의 농도로 재활용 가능한 재료에 존재하는 것이 바람직하다.
적어도 하나의 알코올류 및/또는 적어도 하나의 에스테르류는 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료의 유동성을 개선하여, 재활용 가능한 재료를 성형 부품으로 가공하는 것을 용이하게 한다.
재활용 가능한 재료는 1 내지 20 중량 퍼센트, 바람직하게는 3 내지 17 중량 퍼센트, 특히 바람직하게는 6 내지 15 중량 퍼센트의 적어도 하나의 알코올류 및/또는 에스테르류를 포함한다.
용도에 따라, 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료는 적어도 하나의 첨가제를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 첨가제는 재활용 가능한 재료에 추가적인 물리적, 광학적, 촉각적 또는 화학적 특성을 추가하거나 그러한 특성을 구체적으로 변경하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 재활용 가능한 재료는 염료 또는 색소로 착색될 수 있다. 적어도 하나의 첨가제는 생분해성 및/또는 재활용 가능한 것이 바람직하다.
바람직하게는, 적어도 하나의 착색제 또는 적어도 하나의 색소가 첨가제로서 사용되며, 특히 숯, 식물성 착색제, 바람직하게는 비트 또는 당근과 같은 채소 또는 과일에서 추출한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 재활용 가능한 재료는 모든 성형 부품, 특히 포장재, 충전재, 가구 부품, 일상 용품, 장식 용품, 수저, 접시, 가방 등을 생산하는 데 사용할 수 있다.
셀룰로오스 재료는 셀룰로오스, 셀룰로오스 유도체, 리그닌, 종이 또는 판지, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료에는 사용한 종이 및/또는 판지도 사용될 수 있다. 그 결과, 재활용 가능한 재료 또는 그로부터 제조된 성형 부품은, 특히 자원을 절약하고 환경 친화적으로 생산할 수 있도록 종이 및 판지의 재활용 사이클에 통합될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료로부터 유래한 셀룰로오스 재료 또는 이에 의해 제조되고 물에 용해된 성형 부품이 셀룰로오스 재료로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료의 셀룰로오스 재료는 본 발명에 따른 새로운 재활용 가능한 재료의 생산에 재사용될 수도 있다.
바람직하게는, 메틸셀룰로오스 또는 하이드록시메틸셀룰로오스가 셀룰로오스 유도체로 사용된다. 셀룰로오스는 셀룰로오스 섬유, 미세결정 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스 형태일 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 단백질 결합제는 식물성 단백질 결합제, 특히 곡물, 대두, 아몬드, 대마, 완두콩, 루핀(lupine), 호박, 카사바(cassava), 해바라기, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
곡물은 바람직하게는 밀, 호밀, 보리, 귀리, 쌀, 옥수수, 기장, 또는 이들의 혼합물이다.
바람직하게는, 단백질 결합제는 적어도 하나의 동물성 단백질 결합제, 특히 글루틴 글루, 젤라틴, 콜라겐, 케라틴, 카제인, 알부민, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
글루틴 글루는 바람직하게는 뼈 아교, 가죽 아교, 토끼 아교, 생선 아교, 또는 이들의 혼합물이다.
적어도 하나의 알코올류는 바람직하게는 1 내지 50 개의 탄소 원자를 갖는다. 상기 알코올류는 탄소 원자가 2 내지 30개인 알코올, 특히 탄소 원자가 2 내지 15개인 알코올이 바람직하다.
적어도 하나의 알코올류는 사슬형(linear) 알코올 또는 분지형(branched) 알코올일 수 있다. 적어도 하나의 알코올은 1가 알코올(monohydric alcohol)일 수 있지만, 특히 2 내지 15개의 수산기(hydroxy groups), 바람직하게는 2 내지 10개의 수산기, 특히 2 내지 6개의 수산기를 갖는 다가 알코올(polyhydric alcohol)이 바람직하다.
바람직하게는, 적어도 하나의 알코올류는 폴리글리세롤-3(CAS 25618-55-7), 글리세롤 에톡실레이트(CAS 316954-55-0), 펜타에리스리올(pentaerythriole) 에톡실레이트(CAS 30599-15-6), 폴리에틸렌글리콜 E400(CAS 25322-68-3), 글리세롤(CAS 56-81-5), 1,2-프로판다이올(CAS 57-55-6), 디펜타에리트리톨(CAS 126-58-9), 펜타에리트리톨(CAS 115-77-5), 에틸렌글리콜(CAS 107-21-1), 디에틸렌글리콜(CAS 111-46-6), 트리에틸렌글리콜(CAS 112-27-6), 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된다.
적어도 하나의 에스테르류는 카르복실산 에스테르인 것이 바람직하며, 탄소 원자가 2 내지 22개, 특히 탄소 원자가 6 내지 12개인 것이 바람직하다. 적어도 하나의 에스테르류는 모노에스테르일 수 있지만, 폴리에스테르인 것이 바람직하다. 특히, 적어도 하나의 에스테르류는 알킬시트레이트(alkylcitrate) 또는 글리세롤 아세테이트, 특히 트리에틸 시트레이트(CAS 77-93-0) 또는 글리세롤 트리아세테이트(CAS 102-76-1)인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 재활용 가능한 재료는 적어도 하나의 첨가제로서 전분(starch), 적어도 하나의 단당류, 적어도 하나의 올리고당류 또는 적어도 하나의 다당류, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 이러한 당 화합물은 재활용 가능한 재료에서 추가적인 결합제로서 작용하여, 재활용 가능한 재료의 강도를 증가시키거나 적어도 하나의 단백질 결합제의 양을 줄이면서 동일한 강도를 유지할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 첨가제는 밀 전분, 감자 전분, 쌀 전분, 타피오카 전분, 덱스트린, 한천(agar), 알지네이트(alginates), 펙틴, 키틴, 사이클로덱스트린, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된다. 더욱 바람직하게는, 첨가제는 조류(algae), 과일, 채소 및/또는 곡물의 추출물에서 추출한 당류를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 첨가제는 글루코오스, 프룩토오스, 갈락토스, 수크로오스, 말토오스, 락토오스, 말토덱스트린, 덱스트로스, 이소말트, 에리트리톨, 만니톨, 자일리톨, 설탕 시럽, 전화당(invert sugar) 시럽, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 첨가제는 소르비톨(CAS 50-70-4), 자일리톨(CAS 87-99-0), 만니톨(CAS 69-65-8), 수크로오스(CAS 57-50-1), 트레할로오스(CAS 6138-23-4), 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료의 적어도 하나의 첨가제는 요소(urea) 및/또는 알란토인을 포함하는 것이 바람직하다. 이는 재활용 가능한 재료가 건조되거나 경화되기 전에 재활용 가능한 재료의 유동 특성을 개선하여, 예를 들어 주조 중에 재활용 가능한 재료를 성형 부품으로 쉽게 가공할 수 있도록 한다.
재활용 가능한 재료의 적어도 하나의 첨가제는 바람직하게는 보존제를 포함한다. 이를 통해 재활용 가능한 재료가 성형 부품으로 가공되기 전에 더 오랜 시간 동안 보관할 수 있다.
바람직하게는, 첨가제는 아스코르브산 또는 구연산 또는 이들의 염(salts), 소르베이트, 식물 추출물, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된다.
대안적으로, 첨가제는 메틸 4-하이드록시벤조에이트 또는 프로필 4-하이드록시벤조에이트를 포함한다. 그러나 이러한 재료는 생분해되지 않기 때문에 최대 0.3 중량 퍼센트의 소량만 사용되므로, 재활용 가능한 재료 전체가 기준에 따라 퇴비화될 수 있으며 환경과 물도 위험에 처하지 않게 된다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료는 적어도 하나의 첨가제로서 적어도 하나의 동물성 또는 식물성 지방을 포함한다. 지방을 첨가하면 재활용 가능한 재료의 과립화가 개선될 수 있다.
적어도 하나의 지방은 아마인유, 피마자유, 유채유, 해바라기유, 지방 분말, 중쇄중성지방(medium-chain triglyceride), 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료의 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 천연 왁스, 특히 카르나우바 왁스, 칸데릴라 왁스, 사탕수수 왁스, 비즈왁스 또는 스테아린, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료의 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 무기물을 포함한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 무기물은 마이카(mica), 월라스토나이트(wollastonite), 산화철, 벤토나이트(bentonite), 하이드로마그네사이트(hydromagnesite), 초크(chalk), 집섬(gypsum), 리토폰(lithopone), 헌타이트(huntite), 탈크(talc), 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 카올린(kaolin), 탄산칼슘, 버미큘라이트(vermiculite), 실리케이트(silicates), 펄라이트(perlite), 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
적어도 하나의 무기물을 첨가하면 재활용 가능한 재료 또는 그로부터 제조된 성형 부품의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 적어도 하나의 무기물을 첨가하면 재활용 가능한 재료의 색소 형성 또는 착색을 달성하고, 그로부터 제조 된 성형 부품 표면의 균질성을 향상시킬 수 있다. 또한, 재활용 가능한 재료의 유동 특성은 적어도 하나의 무기물에 의해 구체적으로 개선될 수 있다.
본 출원은 또한 재활용 가능한 재료로부터 성형 부품을 제조하는 방법에 관한 것다. 첫 번째 단계에서는 30 내지 97 중량 퍼센트의 셀룰로오스 재료, 2 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 단백질 결합제, 1 내지 20 중량 퍼센트의 적어도 하나의 알코올류 또는 에스테르류, 및 0 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 첨가제를 용매로서의 물과 함께 믹서에 제공한다. 그런 다음 구성 요소를 믹서 내에서 혼합하여 재활용 가능한 재료를 형성한 다음 성형 부품을 형성한다.
단백질 결합제에 따라, 단백질 결합제는 따뜻한 물이나 끓는 물에 먼저 녹여야 한다. 분말 형태의 구성 요소는 가열 및/또는 교반과 함께 구성 요소의 종류에 따라 물에 먼저 녹이는 것이 바람직하다.
믹서는 유성 교반기(planetary agitator), 편심 스크류 펌프(eccentric screw pump), 프로펠러 교반기, 디스크 교반기, 압출기 또는 자석 교반기(magnetic stirrer)인 것이 바람직하다.
구성 요소는 1 내지 40 분, 바람직하게는 1 내지 10 분 동안 혼합하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료는 혼합 후 스트랜드(strand)로 압출 성형되고, 그 다음 재활용 가능한 재료의 스트랜드로부터 성형 부품이 형성되고, 이후에 형성된 성형 부품은 건조된다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료는 혼합 후 스트랜드(strand)로 바람직하게는 압출 성형되고, 스트랜드는 과립(granulate)으로 분쇄되고, 과립으로부터 성형 부품이 형성되고, 이후에 형성된 성형 부품은 건조된다.
과립은 바람직하게는 건조된다. 과립은 성형 부품이 형성되기 전에 보관하는 것이 바람직하다. 보관 중에 과립이 운반할 수 있다. 이를 통해 과립과 성형 부품을 서로 다른 지리적 위치에서 서로 다른 시간에 생산할 수 있다는 이점이 있다.
예를 들어, 과립은 성형 부품을 형성하기 위해 가열되어 결국 높은 압력 하에서 성형 부품이 형성될 수 있다. 또는 성형 전에 적절한 용매, 바람직하게는 물을 사용하여 과립을 액화할 수도 있다.
바람직하게는, 압출 성형은 40 내지 180bar, 바람직하게는 60 내지 140bar, 특히 바람직하게는 80 내지 120bar의 압력에서 수행된다.
바람직하게는, 재활용 가능한 재료는 혼합 후 건조되고, 분말로, 특히 입자 크기가 0.10 mm 미만, 특히 0.05 mm 미만인 분말로 분쇄되고, 그 분말로부터 성형 부품이 형성된다.
바람직하게는, 분말은 성형 부품이 형성되기 전에 보관한다. 분말은 보관 중에 운반할 수 있다. 이렇게 하면 분말과 성형 부품을 서로 다른 지리적 위치에서 서로 다른 시간에 생산할 수 있다는 이점이 있다.
예를 들어, 압력을 가한 상태에서도 분말을 가열하여 성형 부품을 형성할 수 있다. 대안적으로, 성형 전에 적절한 용매(바람직하게는 물)를 사용하여 분말을 액화할 수도 있다. 성형 부품이 형성되기 전에 재료가 액화되면, 형성 후 성형 부품이 건조된다.
본 발명에 따른 재활용 가능한 재료로 만든 분말은, 특히 3D 프린팅, 특히 멀티 제트 모델링을 통해 성형 부품을 형성하는 데 적합하다.
바람직하게는, 성형 부품은 프레스 성형, 주조 성형, 압출 성형, 회전 성형, 진공 성형, 사출 성형, 소결 또는 3D 프린팅으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 출원은 또한 위에서 설명한 바와 같이 재활용 가능한 재료로 만들어진 성형 부품에 관한 것이다.
성형 부품은 바람직하게는 포장재, 충전재, 가구 부품, 유틸리티 용품, 장식 용품, 수저, 접시 또는 가방이다.
본 발명의 특징의 더욱 유리한 실시예 및 조합은 다음의 상세한 설명과 특허 청구범위 전체로부터 도출된다.
예시
예시 1
첫 번째 예시에서는, 토끼 아교 약 134g을 끓는 물 250g과 혼합한 후, 수조에서 70℃로 20분간 가열했다. 그런 다음 소 우유에서 추출한 카제인 101g(질소 함량 13.5 내지 15%)을 혼합물에 첨가하고 힘차게 혼합하여 결합제 성분을 형성했다.
글루코오스 40g과 황산 마그네슘 16g을 끓는 물(글루코오스는 물 40g에, 황산 마그네슘은 물 20g에)에 녹여 결합제 성분에 첨가하고 혼합했다. 혼합물이 균질해지면, 1.6g의 메틸 4-하이드록시벤조에이트와 프로필 4-하이드록시벤조 에이트(69 : 31)를 첨가하고 혼합했다.
중간체를 액체 첨가제 및 섬유질과 혼합했다. 즉, 소르비톨 64g 및 피마자유 12g을 혼합물에 첨가하고 힘차게 혼합했다. 마지막으로 섬유질(하이드록시프로필메틸셀룰로오스와 약 200μm의 셀룰로오스, 50:50 비율) 432g을 첨가하고 유성 교반기(로터 교반기 10L)에서 힘차게 혼합했다.
이 재료는, 피스톤과 직경 2mm의 노즐이 달린 램(ram)으로 구성된 압착 장치를 통해 약 140bar의 압력으로 유압 프레스(Lindenberg press 60 tons)에서 스트랜드로 압출 성형되었다. 건조 후, 스트랜드를 2mm 길이의 조각으로 자르고 그 결과 생성된 과립을 사출 성형하여 성형 부품으로 만든 다음 건조시킨다.
재료 총량 대비 중량 퍼센트 양 [g]
토끼 아교 16.7 133.608
카제인 12.6 100.792
하이드록시프로필메틸셀룰로오스 HPMC 27 216
셀룰로오스 200μm 27 216
파라벤 0.2 1.6
소르비톨 8 64
글루코오스 5 40
황산 마그네슘 MgSO4 2 16
피마자유 1.5 12
모든 구성 요소 합계 100 800
예시 2
두 번째 예시에서는, 포타슘벤조에이트 1.6g과 황산 마그네슘 16g을 끓는 물 250g에 용해했다. 그런 다음 116g의 글리세롤을 혼합물에 첨가했다.
글루텐 단백질 234g(일반적인 영양소 정보: 단백질 80wt%, 섬유질 3.8wt%, 지방 5.8wt%, 탄수화물 4.7wt%, 소금 0.13wt%)을 셀룰로오스 섬유 416g(약 150μm)과 혼합했다.
분말 혼합물과 액체 혼합물을 함께 혼합하여 결합제 성분을 획득한다.
마지막으로, 견과류 오일 16g을 첨가하고 유성 교반기에서 힘차게 혼합했다.
이 재료는 피스톤과 직경 2mm의 노즐이 있는 플런저(plunger)를 포함하는 압착 장치를 통해 약 140bar의 압력으로 유압 프레스에서 스트랜드로 압출 성형되었다. 건조 후 스트랜드를 2mm 길이의 조각으로 절단하고, 그 결과 생성된 과립을 사출 성형하여 성형 부품으로 만든 다음 건조시켰다.
재료 총량 대비 중량 퍼센트 양 [g]
글루텐 29.3 234.4
셀룰로오스 150 μm 52 416
포타슘벤조에이트 0.2 1.6
글리세롤 14.5 116
황산 마그네슘 MgSO4 2 16
견과류 오일 2 16
총 구성 요소 100 800
예시 3
세 번째 예시에서는, 분리 대두 단백질 109.2g(일반적인 영양소 정보: 단백질 90wt%, 지방 1.5wt%, 탄수화물 1.8wt%, 소금 0.5wt%)을 타피오카 전분 109.2g(일반적인 영양소 정보: 단백질 0.2wt%, 지방 <0.1wt%, 탄수화물 87.8wt%, 소금 <0.1wt%), 크산탄 검 40g, 메틸 4-하이드록시벤조에이트와 프로필 4-하이드록시벤조에이트 혼합물(69:31) 2g, 셀룰로오스 섬유(약 150 μm) 416g과 볼(bowl)에서 혼합했다.
글루코오스 28g과 황산 마그네슘 16g을 끓는 물 (물 50g에 글루코오스, 물 20g에 황산 마그네슘)에 녹여 분말 혼합물에 첨가하고 잘 혼합했다. 그런 다음 소르비톨 71g과 코코넛 오일 8g을 넣고 힘차게 혼합했다.
이전에 혼합한 구성 요소에 300g의 끓는 물을 넣고 충분히 강력한 유성 교반기로 혼합했다.
이 재료는 피스톤과 직경 2mm의 노즐이 있는 펀치로 구성된 압착 장치를 통해 약 140bar의 압력으로 유압 프레스에서 스트랜드로 압출 성형되었다. 건조 후 스트랜드를 2mm 길이의 조각으로 절단하고, 그 결과 생성된 과립을 사출 성형하여 성형 부품으로 만든 다음 건조시켰다.
재료 총량 대비 중량 퍼센트 양 [g]
대두 단백질 13.65 109.2
타피오카 전분 13.65 109.2
셀룰로오스 150 μm 52 416
파라벤 0.3 2
소르비톨 8.9 71
글루코오스 3.5 28
황산 마그네슘 MgSO4 2 16
크산탄 검 5 40
코코넛 오일 1 8
총 구성 요소 100 800
예시 4
네 번째 예시에서는, 락토오스 16g, 말토덱스트린 24g, 포타슘벤조에이트 1.6g, 황산 마그네슘 16g을 끓는 물 330g에 용해시켰다. 그런 다음 107.2g의 생선 아교를 첨가하고 혼합한 후 수조에서 70℃로 20분간 가열했다.
글루텐 단백질 107.2g(일반적인 영양소 정보: 단백질 80wt%, 섬유질 3.8wt%, 지방 5.8wt%, 탄수화물 4.7wt%, 소금 0.13wt%)을 셀룰로스 섬유 480g(약 150μm)과 혼합했다.
액체 혼합물에 1,2-프로판다이올 40g과 견과류 오일 8g을 첨가했다.
분말 혼합물과 액체 혼합물을 함께 섞었다.
이 재료는 피스톤과 직경 2mm의 노즐이 있는 펀치를 포함하는 압착 장치를 통해 약 140bar의 압력으로 유압 프레스에서 스트랜드로 압출 성형되었다. 건조 후, 스트랜드를 2mm 길이로 절단하고, 그 결과 생성된 과립을 사출 성형하여 성형 부품으로 만든 다음 건조시켰다.
재료 총량 대비 중량 퍼센트 양 [g]
글루텐 단백질 13.4 107.2
생선 아교 13.4 107.2
셀룰로오스 150 μm 60 480
포타슘벤조에이트 0.2 1.6
1,2-프로판다이올 5 40
락토오스 2 16
황산 마그네슘 MgSO4 2 16
말토덱스트린 3 24
견과류 오일 1 8
총 구성 요소 100 800
예시 5
다섯 번째 예시에서는, 젤라틴 134g을 끓는 물 310g과 혼합한 후 수조에서 70℃ 로 20분간 가열했다.
그런 다음 알부민 100.8g을 분리 완두 단백질(일반적인 영양소 정보: 단백질 80wt%, 지방 5.5wt%, 탄수화물 2.6wt%, 소금 1.9wt%) 및 약 38g의 말토덱스트린과 1:1로 혼합했다.
분말 혼합물과 액체 혼합물을 함께 혼합하여 결합제 성분을 획득했다.
황산 마그네슘 16g을 끓는 물 20g에 녹여 1,2-프로판다이올 80g과 함께 혼합물에 넣고 혼합한다.
마지막으로 섬유질(셀룰로오스 약 200μm) 432g을 첨가하고 유성 교반기로 힘차게 혼합했다.
이 재료는 피스톤과 직경 2mm의 노즐이 있는 펀치를 포함하는 압착 장치를 통해 약 140bar의 압력으로 유압 프레스에서 스트랜드로 압출 성형되었다. 건조 후, 스트랜드를 2mm 길이로 절단하고, 그 결과 생성된 과립을 사출 성형하여 성형 부품으로 만든 다음 건조시켰다.
재료 총량 대비 중량 퍼센트 양 [g]
젤라틴 16.7 133.61
알부민 6.3 50.40
분리 완두 단백질 6.3 50.40
셀룰로오스 200 μm 54 432
1,2-프로판다이올 10 80
말토덱스트린 4.7 37.6
황산 마그네슘 MgSO4 2 16
총 구성 요소 100 800.01
소결(sintering)을 통한 재활용 가능한 재료 가공하기
생산할 성형 부품의 윤곽이 있는 프레싱 툴(pressing tool)에 재활용 가능한 재료의 과립을 일정량 넣었다. 가열된 프레스에서 150℃의 온도로 툴을 가열하고, 과립을 채운 후 1kg/㎠의 압력으로 2분간 압착했다. 그런 다음 성형된 부품이 있는 툴을 프레스에서 꺼내 50℃의 온도로 냉각한 후 제조된 성형 부품을 제거했다.
대안적으로, 분말을 소결하여 가공하는 데 사용할 수도 있다.
압출 성형을 통한 재활용 가능한 재료 가공하기
재활용 가능한 재료의 과립은, 120 내지 140℃의 작동 온도에서 짧은 압축 스크류가 있는 압출 성형 시스템(Weber ES45)을 사용하여 다양한 단면을 가진 프로파일로 가공되었다.
3D 프린팅을 통한 재활용 가능한 재료 가공하기
재활용 가능한 재료로 만든 분말을 멀티젯 모델링 프로세스에 따라 작동하는 3D 프린터(3DSystems의 ZPrinter ⓒ 150)의 지정된 용기에 채우고, Z-Corp의 원래 결합제를 물로 대체했다. 프린팅 공정 후, 성형된 부품을 제거하고 건조시켰다.

Claims (18)

  1. 성형(molding)에 적합한 재활용 가능한 재료에 있어서,
    a) 30 내지 97 중량 퍼센트의 셀룰로오스 재료;
    b) 2 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 단백질 결합제(protein binder);
    c) 1 내지 20 중량 퍼센트의 적어도 하나의 알코올류 및/또는 적어도 하나의 에스테르류(ester); 및
    d) 0 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 첨가제; 를 포함하는,
    재활용 가능한 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 재료는 셀룰로오스, 셀룰로오스 유도체, 리그닌, 종이 또는 판지, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 단백질 결합제는, 식물성 단백질 결합제, 특히 곡물, 대두, 아몬드, 대마, 완두콩, 루핀(lupine), 호박, 카사바(cassava), 해바라기, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단백질 결합제는, 적어도 하나의 동물성 단백질 결합제, 특히 글루틴 글루, 젤라틴, 콜라겐, 케라틴, 카제인, 알부민, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 알코올류는 1 내지 50개의 탄소 원자를 갖는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 전분(starch), 적어도 하나의 단당류, 적어도 하나의 올리고당류 또는 적어도 하나의 다당류, 또는 이들의 혼합물을 상기 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료는 요소(urea) 및/또는 알란토인을 상기 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 상기 첨가제로서 보존제를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 적어도 하나의 동물성 지방 또는 식물성 지방을 상기 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 적어도 하나의 천연 왁스, 특히 카르나우바 왁스, 칸데릴라 왁스, 사탕수수 왁스, 비즈왁스 또는 스테아린, 또는 이들의 혼합물을 상기 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 적어도 하나의 무기물, 특히 마이카(mica), 월라스토나이트(wollastonite), 산화철, 벤토나이트(bentonite), 하이드로마그네사이트(hydromagnesite), 초크(chalk), 집섬(gypsum), 리토폰(lithopone), 헌타이트(huntite), 탈크(talc), 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 카올린(kaolin), 탄산칼슘, 버미큘라이트(vermiculite), 실리케이트(silicates), 펄라이트(perlite), 또는 이들의 혼합물을 상기 첨가제로서 포함하는 것을 특징으로 하는,
    재활용 가능한 재료.
  12. 재활용 가능한 재료, 특히 청구항 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 재활용 가능한 재료로부터 성형 부품을 생산하기 위한 방법에 있어서,
    a) 30 내지 97 중량 퍼센트의 셀룰로오스 재료, 2 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 단백질 결합제, 1 내지 20 중량 퍼센트의 적어도 하나의 알코올류 또는 에스테르류, 및 0 내지 45 중량 퍼센트의 적어도 하나의 첨가제를 용매로서의 물과 함께 믹서에 제공하는 단계;
    b) 상기 믹서 내의 구성 요소를 혼합하여 상기 재활용 가능한 재료를 생성하는 단계; 및
    c) 상기 재활용 가능한 재료로부터 상기 성형 부품을 형성하는 단계; 를 포함하는,
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 혼합 후 스트랜드(strand)로 압출 성형되고, 이어서 상기 재활용 가능한 재료의 상기 스트랜드로부터 상기 성형 부품이 형성되며, 이어서 상기 성형 부품이 건조되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 혼합 후 스트랜드로 압출 성형되고, 상기 스트랜드는 과립(granulate)으로 분쇄되고, 이어서 상기 성형 부품은 상기 과립으로부터 형성되고, 이어서 상기 성형 부품이 건조되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 압출 성형은 40 내지 180 바bar, 바람직하게는 60 내지 140bar, 특히 바람직하게는 80 내지 120bar의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 재활용 가능한 재료는 혼합 후 건조되고, 분말로, 특히 입자 크기가 0.10 mm 미만, 특히 0.05 mm 미만인 분말로 분쇄되고, 그 다음에 상기 성형 부품은 상기 분말로부터 형성되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 부품은 프레스 성형, 주조 성형, 압출 성형, 회전 성형, 진공 성형, 사출 성형, 소결(sintering), 또는 3D 프린팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  18. 청구항 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 재활용 가능한 재료로 생산된 성형 부품.
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