KR100443275B1 - 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융온도가 비교적 낮은 지방족 폴리에스테르 수지에 입도 35∼500메쉬의 목분, 왕겨, 펄프 등의 식물성 섬유재 충전제를 용융혼합하여 압출·사출성형에 특히 적합하게 제조한 생분해성 수지 조성물에 관한 것으로서, 본 발명의 수지 조성물은 타 생분해성 수지 조성물에 비하여 필름이나 1회용 생필품 등 다양한 용도에 적용할 수 있으며, 화학물질에 의한 목분의 전처리가 필요하지 않아 공정이 간단하고, 생분해 속도도 높아지며, 종래 일반 수지에 비해 인장강도 등 질이 떨어지지 않는 압출, 사출 성형물을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 강도 등 물성이 향상된 생분해성 지방족 폴리에스테르계 수지 조성물에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 지방족 폴리에스테르 수지를 베이스 수지로 하고 충전제로서 목분, 왕겨, 펄프 등의 식물성 섬유재를 포함하는 압출, 사출성형용 생분해성 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 플라스틱에 의한 환경 오염문제가 제기되고 있다. 이에 대한 한 가지 해결책으로서, 일정 조건 하에서 미생물에 의해 물과 탄산 가스 등으로 분해될 수 있는 플라스틱에 대한 연구가 활발하다.
현재 알려진 생분해성 플라스틱으로는 전분, 셀룰로스, 키틴 등의 다당류를 이용한 천연고분자 생분해성 플라스틱, 이소시아네이트계 화합물로 표면 처리한 목분을 혼합하여 제조한 폴리올레핀 수지를 폴리프로필렌 수지와 용융혼합하여 된 폴리프로필렌 수지 조성물(특허공고 제96-8119호), 폴리올레핀-식물섬유계 성형용 수지 조성물(특허공고 제96-8117호) 등이 있다.
그러나, 전분 등으로 제조된 천연 고분자 플라스틱은 강도 등 물성이 약한단점이 있어 실제로 널리 사용되지 못하고 있다. 또한, 표면 처리한 목분을 이용한 폴리프로필렌 수지 조성물 및 폴리올레핀-식물섬유계 성형용 수지 조성물은 목분을 표면 처리하는데 별도의 공정과 비용이 소요되며, 표면 처리로 인해 생분해속도가 저하되고 토양에도 좋지 않은 영향을 미치는 문제가 있었다.
또, 특허 제257818호는 폴리에스테르의 원료인 디카르복실산 및 글리콜과 함께 탈크, 탄산칼슘, 톱밥 등을 첨가하여 신율, 인장강도가 향상된 폴리에스테르 복합수지를 제조하는 방법 및 그 조성물에 관한 것이다. 그러나, 톱밥은 입도가 클 뿐만 아니라 입자상태가 균일하지 못하여 제품으로 성형했을 때 표면이 고르지 못하다. 또한, 입도가 다양하여 신율 등 물성이 저하된다. 뿐만 아니라, 톱밥에 함유된 성분을 제거하지 아니한 상태로서 수지 조성물을 제조하는 경우 물성 저하 뿐만 아니라 수지 제품의 원래 색상이 유지되지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 단점을 극복하려는 것으로서 강도 등의 물성, 경제성 및 생분해성이 향상된 폴리에스테르계 수지조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 연구를 거듭한 결과, 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌과는 달리 지방족 폴리에스테르 수지가 별도의 화학약품에 의한 전처리를 수행하지 않은 상태의 목분과 잘 융합되며, 필름, 일회용 도시락, 플라스틱 약병 등 다양한 용도에 쓰이기에 충분한 인장강도, 충격강도를 가질 수 있도록 하는 생분해성 폴리에스테르 수지 조성물의 제조방법에 관한 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
지방족 폴리에스테르 수지는 생분해성을 가지고 있는 것으로 널리 알려져 있지만 분해속도의 조절에 한계가 있으며, 수지의 가격이 다른 수지에 비해 고가로서 일반화에 장애가 되고 있다.
본 발명은 생분해성을 가지는 지방족 폴리에스테르 수지에 충전제로서 목분, 왕겨, 펄프 등의 식물성 섬유재를 혼합하여 합성수지 조성물을 제조함으로써 천연 고분자 플라스틱의 강도 문제, 화학적 전처리된 목분을 사용한 수지 조성물들의 생분해 속도의 문제, 토양오염 문제 등을 해결하였다.
폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 같은 일반 수지의 경우 용융온도와 작업온도가 160℃ 이상의 고온으로서 충전제로서 목분을 사용하는 경우 열화 또는 변색 등이 일어나 기계적 강도의 저하, 외관의 열화 등이 야기되는 문제점이 있다. 또한, 목분 충전제 단독으로는 균일하게 분산되기가 어렵다. 따라서, 충전제의 열분해가 일어나지 않게 하고 동시에 수지 내에 균일하게 분산되도록 하기 위하여 앞서 서술한 종래 기술에서와 같이 여러 가지 화학물질을 이용하여 목분을 코팅하는 등 식물성 충전제의 내열도를 높인 상태에서 베이스 수지와의 혼합 및 성형작업을 시도하고 있다.
한편, 지방족 폴리에스테르 수지는 용융온도가 일반 수지(pvc 160-170℃, pp 180-200℃)에 비하여 비교적 낮은 130∼150℃이다. 따라서, 비교적 낮은 작업온도에서 압출, 성형할 수 있어 충전제로서 목분에 열화, 탄화를 방지하기 위한 별도의 화학처리를 하지 않아도 물체의 흐름성과 슬립성이 좋아 작업성이 좋고 탄화(열화) 및 탈색이 되지 않는다.
또한, 화학처리되지 않은 식물성 섬유재 충전제는 쉽게 생분해되며, 분해 후에도 중성에 가까운 pH를 띠고 있어 토양과 식물에 산성화라는 악영향을 끼치지 않는다.
따라서, 지방족 폴리에스테르 수지에 입도 35∼500메쉬의 목분, 왕겨, 펄프 등의 식물성 섬유재 충전제를 사용하여 생분해성 수지 조성물을 형성하는 경우, 생분해 속도를 촉진시킬 수 있으며, 분해된 후 목분에 처리하는 화학성분이 없으므로 토양의 오염이 없을 뿐 아니라, 유기물질이 함유되어 있어 토양과 식물에 도움이 된다. 나아가, 현재 사용되고 있는 지방족 폴리에스테르 수지 대비 30∼40% 가격이 절감된다. 또한, 지방족 폴리에스테르 수지 단독으로 사용할 때보다 제품의 표면 질감향상과 치수 안정을 기할 수 있으며, 제조원가의 절감으로 생분해성 친환경 수지의 대중화에 기여할 수 있다. 뿐만 아니라, 압출 사출성형시 냉각속도가 빨라 치수 안정성이 우수해진다.
본 발명은 지방족 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 160∼230℃의 고온에서 건조시킨 35∼500메쉬의 식물성 섬유재 10∼60중량부, 더욱 바람직하게는 20∼40중량부를 100~130℃의 온도에서 용융혼합하여 이루어지는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 식물성 섬유재로서 목분, 왕겨, 등겨 또는 펄프를 선택하는 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 식물성 섬유재를 고온건조한 이후 수성 왁스 또는 파라핀으로 처리하여 물성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물을 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 생분해성 수지 조성물로 제조된 성형물의 인장강도가 300㎏/㎤, 인열강도가 100㎏/㎤, 아이조드 충격강도가 3.5㎏/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 조성물은 지방족 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 35∼500메쉬의 목분 10∼60중량부를 용융혼합하는 것을 특징으로 한다. 목분을 10중량부 미만으로 첨가하는 경우 단가가 상승하여 경제성이 문제가 되며, 60중량부를 초과하여 가하는 경우 경도 및 물성의 저하 문제가 발생한다. 더욱 바람직하게는 기본수지인 지방족 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 20∼40중량부의 목분을 혼합하는 것이 인장강도, 인열강도, 아이조드 충격강도의 저하 정도가 낮아 압출 및 사출성형용 생분해성 수지로서 알맞다.
또한, 제조되는 생분해성 수지의 용도에 따라서 목분의 양 및 입도가 달라지는데, 농업용 비닐과 같은 필름류에는 인열강도 등을 고려하여 입도 200메쉬 이상의 고운 목분을 10∼30중량부 첨가하는 것이 바람직하며, 일정 정도의 두께를 갖추어 성형되는 일회용 용기, 플라스틱 약병 등의 용도에 사용할 수지로는 30∼60중량부의 목분을 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에 적합한 식물성 섬유재 충전제는 35~500메쉬 크기가 바람직하다. 식물성 섬유재의 크기가 35메쉬보다 크면 기계적 물성의 저하가 일어날 가능성이 크며, 500메쉬보다 작으면 기계적 특성은 우수하나 제조단가가 상승되는 결점이 있다. 그러나 식물성 섬유재의 입자크기가 특별히 제한되어 있는 것은 아니다. 상기 목분, 왕겨, 펄프 등의 식물성 섬유재 충전제 입자크기별로 각기 다른 용도로서 사용할 수 있다.
본 발명은 상기의 조성 이외에 산화 방지제, 열안정제, 자외선 안정제, 윤활제 등을 소량 첨가시킬 수 있으며, 필요시 난연화를 위해 난연제 또는 난연조제를 첨가할 수도 있다.
이러한 수지 조성물을 얻기 위하여 지방족 폴리에스테르 수지와 목분과 기타 소량 첨가제를 혼련기를 사용하여 혼련시켜 펠렛형태로 제조한다. 혼련기로는 밤바리믹서, 단축혼련기, 2축혼련기, 코-니더 등을 사용할 수 있다. 혼련 중에 목분의 열분해를 방지하기 위해서는 혼련기의 스크류 회전속도를 300∼1000rpm 정도로 낮춘다.
본 발명의 식물성 섬유재를 충전한 지방족 폴리에스테르 수지 조성물은 혼합 및 성형가공시 목분의 열분해로 인한 성형물의 기계적 강도의 저하, 외관의 열화 등과 같은 결점이 없을 뿐만 아니라, 강성, 인장강도 및 내충격성 등의 기계적 특성이 우수한 성형용 수지를 얻을 수 있는 효과가 있다.
아래에서는 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 좀더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래의 실시예의 기재에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 목분의 제조공정
1. 먼저 목분을 만들기 위해 목재를 톱밥 상태로 가공하였다. 목재의 수피는 완전히 제거하였다.
2. 160∼230℃의 고온에서 40∼50분간 열풍건조하였다. 열풍건조는 첫째, 톱밥에 함유된 30∼50%의 함수율을 2% 미만으로 낮추기 위한 것이다. 둘째, 수종에 따라 함유되어 있는 탄닌성분, 리그닌, 로진 등을 제거하려는 것이다. 수분, 로진, 탄닌성분 등을 제거하지 않을 경우 목분과 수지의 혼합과정에서 탈색, 탄화 등의 현상이 일어나 물성에 변화가 오기 때문이다.
3. 고속 분쇄기를 이용하여 입도형태별로 분쇄하였다. 분쇄기 속도는 3600rpm 이상으로 하며, 입도형태는 침상구조 또는 판상구조로 분쇄한다.
4. 입자로 분쇄한 상태에서 압출, 사출성형 용도에 맞게 입도를 조절하였다. 입도 폭이 넓을수록 물성이 떨어지고 제품의 표면 상태가 고르지 못하다.
5. 입도 별로 선별된 목분은 압출, 사출성형시 기계와 물체의 마찰열에 의하여 반응성 및 물성 저하가 심해지므로 분산제 및 윤활성이 좋은 수성 왁스 또는 파라핀 등 첨가제를 넣고 70∼80℃에서 10분 이상 배합하였다. 수성 왁스를 처리하는 경우 수성 왁스를 물에 섞은 후 분사방식으로 배합하였고, 파라핀의 경우는 교반혼합하였다.
6. 수성 첨가제를 이용하였으므로 2차 건조를 10∼20분간 수행하였다.
실시예 2: 생분해성 수지 조성물의 제조
지방족 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 200메쉬 크기의 목분 50중량부, 산화방지제로서 2, 2'-메틸렌비스[4-메틸-6-(1'-메틸시클로헥실)페놀], 4, 4'-티오비스(2-t-부틸-5-메틸페놀), 펜타에리트리틸-테트라키스-[3-(3, 5-디-t-부틸-4-히드록시페닐)-프로피오네이트], 및 트리스(2, 4-t-부틸페닐)포스파이트 적량을 코니더(Co-Kneader)에 동시에 투입하고 100∼130℃에서 5분간 혼련한 후 통상적인 방법에 따라 펠렛으로 제조하였다.
이때 펠렛은 2~3mm, 3~7mm로 절단한 후 100℃ 이상의 온도에서 통상의 방법으로 건조시킨 다음, 금형온도 50℃, 실린더온도 130~150℃에서 시편을 사출성형하여 인장강도, 인열강도 및 아이조드 충격강도 등을 측정하였다.
상기 모든 물성은 ASTM 시험법에 의거하여 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 인장강도(㎏/㎤) | 인열강도(㎏/㎤) | IZOD 충격강도(㎏/㎤) | |
| 기본수지(지방족폴리에스테르 수지) | 365 | 160 | 5.0 |
| 기본수지+목분 10중량부 | 365 | 130 | 5.0 |
| 기본수지+목분 20중량부 | 360 | 130 | 5.0 |
| 기본수지+목분 30중량부 | 355 | 125 | 4.5 |
| 기본수지+목분 40중량부 | 350 | 110 | 4.0 |
| 기본수지+목분 50중량부 | 320 | 100 | 3.5 |
| 기본수지+목분 60중량부 | 300 | 100 | 3.5 |
또한, 땅 속 1m 이상 깊이로 상기 실시예 등과 같이 제조되어 성형된 필름, 도시락 등 성형물을 파묻고 실험한 결과 1∼2개월부터 분해가 일어나기 시작하여 8∼12개월동안 분해가 완료되었다. 본 발명의 압출·사출성형용 생분해성 수지 성형물의 경우 식물성 섬유재의 첨가량에 따라 식물성 섬유재 함량이 높을수록 분해속도 또한 빨라짐을 확인할 수 있었다.
본 발명은 종래 목분 등 식물성 섬유재를 이용한 생분해성 수지의 제조에 있어서, 높은 온도에서 목분이 탄화되거나 최종 수지 성형물이 탈색되는 등의 문제점을 해결하기 위하여 비교적 낮은 온도에서 지방족 폴리에스테르 수지와 용융혼합함으로써 인장강도, 인열강도 아이조드 강도 등이 향상되고, 경제적이며, 생분해성이 높은 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물을 제공한다.
Claims (9)
- 지방족 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 160∼230℃의 고온에서 건조시킨 후 수성 왁스 또는 파라핀으로 표면처리한 35∼500메쉬의 식물성 섬유재 10∼60중량부를 100~130℃의 온도에서 용융혼합하여 이루어지는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 식물성 섬유재는 20∼40중량부인 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 식물성 섬유재는 목분, 왕겨, 등겨 또는 펄프인 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물.
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- 제1항 또는 제2항에 있어서, 생분해성 수지 조성물로 제조된 성형품은 인장강도 300㎏/㎤, 인열강도 100㎏/㎤, 아이조드 충격강도 3.5㎏/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물.
- 제3항에 있어서, 생분해성 수지 조성물로 제조된 성형품은 인장강도 300㎏/㎤, 인열강도 100㎏/㎤, 아이조드 충격강도 3.5㎏/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 압출·사출성형용 생분해성 수지 조성물.
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