KR950006136B1

KR950006136B1 - 자체 분해성 플라스틱 조성물

Info

Publication number: KR950006136B1
Application number: KR1019910013055A
Authority: KR
Inventors: 최성오
Original assignee: 주식회사조양흥산; 최성오
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 1995-06-09
Also published as: KR930002443A

Abstract

내용 없음.

Description

자체 분해성 플라스틱 조성물

현대사회의 가장 큰 문제로 대두되고 있는 문제의 하나가 인류의 문명 발달에 따른 환경의 오염 및 폐기물에 관한 것이다. 특히 20세기 들어 급속한 증가를 보이고 있는 플라스틱폐기물은 쉽게 제거되지 않을 뿐만 아니라 자연조건하에서는 거의 영구적인 수명을 가지므로 환경오염에 가장 큰 문제점으로 등장하였다. 오늘날 우리나라의 경우도 각종 플라스틱 포장재와 농업용 자재등에 의한 환경오염 및 폐기물의 처리 문제는 환경상 경제상의 커다란 문제점으로 제기되고 있다.

플라스틱 폐기물을 처리하기 위한 방법에는 매립과 소각 재활용의 방법을 취해왔으나 매립의 경우 매립공간의 한계성 및 매립지 붕괴의 위험성이 있으며, 소각의 경우에는 발열량과 유독개스에 의한 2차 공해가 부수되고 재료에 따라 분류를 해야하는 단점이 제기된다. 또한 재활용의 경우 역시 수거 및 분급에 난점이 있고 수거, 운송, 분류, 재처리등의 공정에 다른 경제적 손실이 크게되는 문제가 있다. 따라서 노출 방치상태에서 자연분해가 가능하고 소각시 연소 발열량이 안정된 수준으로 낮으며, 연소잔유물이 무해하고 유독가스가 발생하지 않거나 극소화되며, 매립시에도 붕괴의 위험성이 적은 재료가 필요로 하게된다.

본 발명은 상술한 플라스틱의 환경오염을 해결하는데 목적이 있으며, 특정의 충진제와 첨가제를 첨가하므로서 자외선 산소 및 열에 의한 분해는 물론 소각시 연소잔유물이 무해하고 유독가스가 극소화되거나 발생하지 않으며, 매립시 붕괴의 위험성이 적은 플라스틱 재료를 얻게 되었다.

본 발명에서는 철, 아연, 망간, 티타늄등과 같은 고분자 물질의 산화촉진제와 닉켈, 코발트, 구리, 칼슘, 카드늄등과 같은 고분자물질의 산화방지제가 금속물질 자체 혹은 산화형태 또는 다음에 명기하는 유기물질과 결합된 형태(이하 "유기컴플렉스"로 지칭)로 사용되며 이러한 재료들을 조합하여 첨가하므로 고분자의 분해시간을 임의로 조절할 수 있다. (이하 전술한 금속류와 이들 금속의 금속산화물 및 금속 유기 컴플렉스를 "분해첨가제"라 쓴다.) 본 발명은 고분자 물질의 분해개시시간 및 분해속도는 전술한 금속물질이나 금속물질의 산화물 혹은 유기컴플렉스와 같은 첨가제의 함량과 조합비, 기타 첨가물과의 상용성에 지배받게 되며 산화방지제로 처방된 첨가제등도 그 효과기간이 경과한 후에는 오히려 고분자물질의 분해를 촉진시킬수 있다는 사실(1)과 충진재로 사용하는 활석(TALC), 마이카(MICA), 실리카(SILICA), 탄산칼슘(CALCIUM CARBONATE), 산화티타늄(TITANIUM EIOXIDE), 카오린(KAOLIN), 전본(STARCH)등을 충전하므로서 수명을 다한 플라스틱들이 산화 분해되기 위해 산소와 접촉할 수 있는 접촉공간을 제공하므로서 표면적을 증가시키고 플라스틱의 소각시 충진재로 인하여 안정한 발열량은 물론 연소잔유물이 무해하고 유독가스의 양이 감소하며 매립시 붕괴의 위험성이 적으며, 느린 속도나마 가수분해에 의한 효과와 미생물 분해도 기대할 수 있다는 사실에 근거하여 본 발명을 완성하게 된 것이다. 그 밖에 가공성과 분해성을 향상시키기 위하여 가공활제로 소량의 저분자량 왁스류가 첨가된다.

본 발명을 완성함에 있어서는 수년에 걸친 연구와 실험이 수반된 결과이며 현시점에서 자체분해성 플라스틱 조성물로 가장 적합한 것이라 판단되며 그 조성물과 조성비는 다음과 같다.

자체분해성 플라스틱의 조성물 및 조성비

(1) 합성 수지 20~85%

(2) 충진재 15~75%

(활석, 마이카, 실리카, 탄산칼슘, 전분, 카오린)

(3) 가공활재 : WAX류 1~5%

(4) 분해첨가제 : 0.001~0.5%

1. 철 2. 니켈 3. 아연 4. 망간 5. 코발트

6. 구리 7. 카드늄 8. 산화티타늄 9. 산화철 10. 산화아연

11. 산화구리 12. 1~8과 유기물의 컴플렉스

* 위 조성비 중 분해첨가제의 수치는 자체 원소만의 비율이며, 유기화합물과 결합된 경우

("유기컴플렉스"의 경우) 총 중량과는 무관함.

* 금속과 결합하여 사용되는 유기물은 다음과 같음.

알킬디치오포스페이트(alkyl dithio phosphate), 알킬디치오카바메이트(alkyl dithio carbamate), 케튼류(ketons), 크산테이트(xantate), 포스포로스(phosphorous), 여기서 알킬(AKJYL)은 수소 및 탄소수 11개 이하의 알킬(ALKYL), 아로마틱(Aromatics), 시클로알킬(Cyclo alkyl), 및 질소, 황, 인 등이 치환된 헤테로사이클릭 고리화합물을 지칭한다.

본 발명의 자체분해성 플라스틱조성물로서 사용되는 합성수지는 폴리올레핀계로는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 중밀도폴리에틸렌(MDPE), 선형저밀도폴리에틸렌(L/LDPE), 초저밀도폴리에틸렌(VLDPE) 및 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC), 초산비닐아세테이트 공중합체(EVA) 수지들이며 기타 스타이렌계 고분자인 폴리스타이렌(PS), 스티렌-아크릴로나이트릴 공중합체(SAN)등으로 한정할 수 있고, 상기 조성물에 분해첨가제로 첨가된 "유기컴플렉스"는 천이금속류와 결합한 유기물부분의 구성원소는 탄소, 수소, 질소, 황, 인등이며, 이러한 유기컴플렉스의 유기부분은 다음의 형태의 시약들이 사용된다.

사용예는 다음과 같다.

1) 니켈 부틸 디치오디카바메이트 : (CH₂)₄NCS₂)₂N

2) 훼리움 아세토닐 아세토네이트 : C₁₅H₂₁O₆Fe

3) 아연 디부틸 디치오 카바메이트 : (CH₂)₄NCS₂)₂Z_n

또 충진재의 경우는 활석, 마이카, 실리카, 탄산칼슘, 전분, 카오린중에서 하나 혹은 그 이상의 성분이 중량비로 15-75% 범위에서 선택적으로 사용되어지고 분해첨가제의 경우에도 분해개시시간에 따라 하나 혹은 2개 이상의 성분이 금속기준으로 중량비로 0.001-0.5% 범위내에서 선택적으로 사용된다.

또 본 발명에 의한 자체분해성 플라스틱 조성물로 성형된 성형물들의 분해기구와 분해원리를 설명한다.

Ⅰ. 기본 반응

1) 자외선에 의한 분해 반응

2) 산소와 열에 의한 분해 반응(Free Radical Chain Reaction)

3) 빗물이나 수분에 의한 반응

Ⅱ. 분해 원리

1) 일광 자외선에 의한 분해 원리

고분자의 탄소간 1차 공유결합 에너지는 약 83Kcal/mole로서 자외선 및 열에 의해 결합이 파괴될 수 있다. 빛에너지는 E=hν에 의한 계산됨 지상에는 280nm 이상의 파장을 가진 빛이 도달한다. 파장범위 250-400nm대의 빛을 우리는 자외선(이하 "UV"로 쓴다)이라 부르며 파장범위 295-320nm의 빛은 85-100Kcal/mole의 에너지를 가지므로 고분자의 탄소간 1차 결합을 파괴시킬 수 있다.

그 원리는 다음의 식에서

여기서

h : 플라그 상수

ν: FREQUENCY

E : Energy

c : 광속도 300,000Km/sec.

λ: 파장

고분자 사슬내의 탄소간 결합(C-C 結合)을 파괴하기 위해 필요한 에너지의 양은 80~85Kcal/mole이며, 이에 해당하는 자외선의 파장범위는 295~320nm이다.

2) 기타의 분해 원리

모든 물질은 환경에서 자연에 존재하는 미생물들에 의해 끊임없이 공격을 받고 있으며 미생물에 흡수, 섭취되어 분해가 발생하는 것이 생태순환계의 최종단계로 알려져 있다. 또한 대개의 물질은 수분에 의해 용해되거나 가수분해가 발생하기도 한다.

본 조성물은 태양광 중의 자외선이 분해 첨가제를 자극하게 되면 산화반응(자유라디칼 연속반응)이 개시되며 일단 개시반응이 시작되면 공기중의 산소와 반응하여 연속적으로 산화/분해에 반응이 진행된다. 이러한 산화/분해 반응에 의해 일정한 분자량 이하로 고분자의 분자량이 감소하게 되면 대기, 토양, 물등에 존재하는 미생물(생화학적 단백질 및 유기첨가물로 자연계의 박테리아, 곰팡이, 세균등의 미생물)에 의해 섭취, 소화되므로서 분해속도가 가속화되며, 그 효과는 적으나마 첨가된 유기/무기 충진제들이 수분에 느리게 용해되거나 가수분해되므로서 혹은 파손되므로서 고분자의 표면적을 넓게하여 주므로 미생물의 공격이나 자외선의 도달이 용이하게 하므로 분해가 진행된다.

이상과 같이 본 발명에 의한 분해성플라스틱조성물의 제조방법은 합성수지, 충진재, 분해첨가제, 활제를 소정의 조성비 범위내에서 계량하여 혼합/혼련하고 압출, 펠렛화 냉각공정을 거치는 일반 수지가공재료를 얻는 것과 다를 바 없으며, 이와같이 제조된 자체분해성 플라스틱 조성물의 특징은 기계적 물성의 저하나 사용기간중에 기계적 물성의 지연이 거의 없으며, 사용기간의 설정이 다용도에 적합하도록 조절, 제어가 가능하고 가격이 저렴하여 가공성이 용이하다. 또한 폐기하여도 경제적 손실이 크게 없고 독성이나 독성잔유물이 없으며, 사용기간의 수명이 끝나면 쉽게 분해되어 플라스틱 폐기물에 의한 공해의 유발을 방지할 수 있으며, 수거 소각실 안전하게 소각이 가능하므로서 폐플라스틱 재료를 이용한 에너지의 회수가 용이한 장점은 물론 매립시 붕괴의 위험도가 적고 석유화학제품인 플라스틱재료의 많은 부분을 재활용도가 높거나 보다 경제적인 무기재료로 대체하므로 석유자원의 보호에도 일익을 담당할 수 있다.

이와 같은 특성과 효과는 실시예의 결과에 따라 더욱 분명해질 수 있다.

[실시예 1]

중량비로 저밀도폴리에틸렌 50%, 탄산칼슘, 산화티타늄, 전분, 활석, 카오린을 동량으로 혼합한 충진재 47% 활제로 왁스류 2.7%, 나머지 0.3%를 철, 니켈, 아연, 망간, 구리를 각각 같은 양으로 혼합한 분해첨가제를 분해촉진재로 첨가하여 자체분해성 폴리에틸렌 필림을 제조하여 일반 폴리에틸렌과 물설비교를 하였으며, 자외선 촉진 시험기(UV-CON)인 미국 클리블렌드 QUV사의 QUV M/C PANEL에 자체 분해성 폴리에틸렌을 거치하고 자외선에 노출시켜 분해에 따른 물성의 변화를 신율의 감소로 측정하였으며, 적외선 분광분석기(FT-IR)을 이용하여 산화에 따른 카보닐기(CARBONYL GROUP)의 증가속도를 측정하였다.

1. 물리적 물성

2. 자체분해성 저밀도폴리에틸렌 분해 성능.

[표 1]

실시예 1에 따른 의 분해 성능(그래프 1, 2 참조)

[그래프 1]

[그래프 2]

[실시예 2]

중량비로 고밀도폴리에틸렌 50%, 탄산칼슘, 산화티타늄, 전분, 활석을 동량으로 혼합한 충진재 41%, 활제로 왁스류 3.5%, 산화철, 철-케톤 유기컴플렉스, 아연화물을 거의 같은 양으로 혼합한 분해첨가제를 0.5% 분해 촉진재로 첨가하여 자체 분해성 폴리에틸렌 필림을 제조하여 일반 폴리에틸렌 필림과 물성비교를 하였으며, 자외선 촉진 시험기(UV-CON)인 미국 클리블렌드 QUV사의 QUV M/C PANEL에 자체 분해성 폴리에틸렌을 거치하고 자외선에 노출시켜 분해에 따른 물성의 변화를 신율의 감소로 측정하였으며, 적외선분광분석기(FT-IR)을 이용하여 산화에 따른 카보닐기(CARBONYL GROUP)의 증가속도를 측정하였다.

1. 물리적 특성

2. 자체분해시 고밀도폴리에틸렌의 분해 성능.

[표 2]

실시예 2에 따른 HDPE의 분해 성능(그래프 3, 4참조)

[그래프 3]

[그래프 4]

[실시예 3]

중량비로 호모폴리프로필렌 83.3%, 충진재로 탄산칼슘, 산화티타늄을 적량 혼합하여 15%, 활제로 왁스류 1.5%, 철-케톤 유기컴플렉스, 아연화물을 거의 양으로 혼합한 분해첨가제를 0.2% 분해촉진재로 첨가하여 자체분해성 폴리프로필렌 필림을 제조하여 자외선 촉진시험기(UV-CON) QUV M/C PANEL에 자체 분해성 폴리프로필렌을 거치하고 자외선에 노출시켜 분해에 따른 물성의 변화를 신율의 감소로 측정하였으며, 적외선분광분석기(FT-IR)을 이용하여 산화에 따른 카보닐기(CARBONYL GROUP)의 증가속도를 측정하였다.

1. 자체분해성 폴리프로필렌의 분해성능.

2. 실시예 3에 따른 PP의 분해 성능(그래프 5, 6참조)

[그래프 5]

[그래프 6]

[실시예 4]

중량비로 폴리헥사메틸렌아민(NYLON6)를 충 65%, 충진재로 탄산칼슘, 산화티타늄, 활석을 적량 혼합하여 30%, 활제로 왁스류를 3.5%, 산화철, 철-카바메이트 유기 컴플렉스를 거의 적정량으로 혼합한 분해 첨가제를 0.5% 첨가하여 NYLON6 PRESS 필림을 제조하여 자외선 촉진시험기(UV-CON) QUV M/C PANEL에 자체 분해성 NYLON6 필림을 거치하고 자외선에 노출시켜 분해에 따른 물성의 변화를 신율의 감소로 측정하였으며, 적외선분광분석기(FT-IR)을 이용하여 산화에 따른 카보닐기(CARBONYL GROUP)의 증가속도를 측정하였다.

1. 자체분해성 폴리헥사메틸렌의 분해 성능

[표 4]

실시예 4에 따른 의 분해성능(그래프 7, 8참조)

[그래프 7]

[그래프 8]

Claims

중량비로 합성수지(폴리올레핀계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계) 20~70%에 충진재로서 활석, 마이카, 실리카, 탄산칼슘, 산화티타늄, 카오린, 전분중 하나 이상의 성분 15~75%, 왁스 1~5%, 분해 첨가제로서 철, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 구리, 카드늄 중 하나 이상의 성분을 금속기준 무게비 0.001~0.5%를 조성하여 얻어짐을 특징으로 하는 자체 분해성 플라스틱 조성물.
제1항에 있어서 분해첨가제가 유기컴플렉스 상태로 첨가되어짐을 특징으로 하는 제1항의 자체분해성 플라스틱 조성물.