KR100888090B1 - 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리락티드 수지 100중량부와 옥수수전분 110 ~ 130중량부와 폴리비닐알코올 35 ~ 47중량부와 활석 20 ~ 30중량부 및 지방족폴리에스테르 10 ~ 22중량부를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하며, 열에 안정하고 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

또한, 지방족폴리에스테르, 모노글리세리드, 아미노에탄, 스테아린, 글리세린 등을 첨가하여 천연수지와 합성수지의 가공성을 용이하게 하는 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

생분해성 수지 조성물, 폴리락티드 수지, 옥수수전분, 폴리비닐알코올, 폴리카프로락톤

Description

내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물{·}

본 발명은 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생분해성 수지 조성물의 물성, 내구성, 가공성을 증가시키는 폴리비닐알코올을 더 첨가하여 강도와 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물에 관한 것이다.

일반적인 합성수지는 내약품성, 내구성 및 여러 물성 등이 우수하여 천연소재의 대체물로 일상생활에 많이 사용되고 있으나, 사용 후 폐기시 자연으로 환원되지 못하는 단점이 있다. 특히, 수요가 급속하게 증가 되고 있는 일회용 포장재의 경우 분리수거가 원활히 이루어지지 않아 그대로 방치되는 경우가 많으며, 시골은 분리수거물품을 태우는 경우가 많아 환경에 많은 지장을 초래하고 있다.

종래에 상기 합성수지를 폐기시키는 방법으로는 폐기물을 연소시키거나, 토양에 매립하는 방법, 회수하여 재이용하는 방법 등을 사용하였으나 상기 합성수지 폐기물을 연소시키는 방법은 대량의 유독가스가 발생되어 2차 오염을 유발하는 문 제점이 있으며, 매립방법 역시 분해되지 않고 토지에 그대로 남아 2차 오염을 야기하는 문제점이 있었다. 또한, 상기 회수하여 재이용하는 방법 역시 회수율이 낮아 최종 폐기물이 발생하는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 토양에 존재하는 미생물에 의하여 분해되는 생분해성 수지와 태양 광의 자외선에 의하여 분해되는 광분해성 수지로 대별되는 분해성 수지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

상기 생분해성 수지에는 미생물의 생체 내에서 생합성되어 생분해성이 있는 폴리하이드록시아틸레이트계 수지, 폴리카프로락톤, 합성지방족 폴리에스테르수지 또는 열가소성 수지에 천연고분자물질을 혼합한 수지 등이 있고 광분해성 수지에는 에틸렌과 일산화탄소를 공중합하여 주쇄에 카르보닐기를 도입한 수지, 에틸렌과 비닐케톤을 공중합하여 측쇄에 카르보닐기를 도입한 수지 및 전이금속 등 산화제를 첨가한 수지 등이 있다. 그러나 상기 분해성수지 중 미생물이 생합성한 수지, 합성지방족 폴리에스테르 등은 분해성은 우수하나 제조가격이 비싼 단점이 있고, 천연고분자를 첨가한 수지는 가격은 저렴하나 물성저하 및 분해가 완전히 이루어지지 않는 단점이 있다.

또한, 광분해성 수지는 태양광에 노출 시에는 분해성이 우수하나 토양에 매립시에는 분해가 안 되는 단점이 있다. 특히, 열가소성 수지에 천연고분자를 첨가한 분해성 수지는 물성저하 등을 우려하여 분해물질인 전분 등 천연고분자를 10% 이상 첨가할 수 없으며, 또한 일반적으로 원료물질 등을 입자상태로 첨가하므로 분 해물질이 불연속상으로 분포하게 되어 완전분해가 이루어지지 않는 단점이 있다.

또한, 광분해성 수지 및 미생물분해성 수지는 열에 안정하지 못한 문제점이 있었으며, 용기로 제작시 분해되어 환경에 이로움을 주는 이외에서는 기능상 이점이 없었고 식품용기로 제조하는 과정에서 안정하지 못해 쉽게 분해되는 문제점이 있다.

따라서 열에 안정하며 내구성이 강한 동시에 생분해도가 최대가 되는 합성수지와 혼합된 생분해 용기의 연구가 필요하다.

본 발명은 상술한 배경기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 종래의 생분해성 수지가 가지지 못했던 강도를 강화하여 내구성을 증가시키며, 열에 안정한 폴리비닐알코올을 첨가하여 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 것이다.

또한, 광촉매인 이산화티타늄을 혼합하여 자외선을 쪼였을 경우 다양한 종류의 박테리아 등을 죽이는 친환경적인 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 것이다.

또한, 지방족폴리에스테르, 모노글리세리드, 아미노에탄, 스테아린, 글리세린 등을 첨가하여 천연수지와 합성수지의 가공성을 용이하게 하는 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명은 폴리락티드 수지 100중량부와 옥수수전분 110 ~ 130중량부와 폴리비닐알코올 35 ~ 47중량부와 활석 20 ~ 30중량부 및 지방족폴리에스테르 10 ~ 22중량부를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 조성물에는 이산화티타늄 3 ~ 9중량부가 더 포함되어 조성되는 것을 특징으로 한다.

본원발명의 가공성을 증대시키기 위하여 상기 조성물에는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 모노글리세리드, 아미노에탄, 스테아린 및 글리세린 중 하나 이상의 혼합물이 20 ~ 30중량부가 더 포함되어 조성되는 것을 특징으로 하며, 항산화가소제가 8 ~ 20중량부 더 포함되어 조성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물로 제조된 식품용기를 특징으로 한다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 종래의 생분해성 수지가 가지지 못했던 강도를 강화하여 내구성을 증가시키며, 열에 안정한 폴리비닐알코올을 첨가하여 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

또한, 광촉매인 이산화티타늄을 혼합하여 자외선을 쪼였을 경우 다양한 종류의 박테리아 등을 죽이는 친환경적인 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

또한, 지방족폴리에스테르, 모노글리세리드, 아미노에탄, 스테아린, 글리세린 등을 첨가하여 천연수지와 합성수지의 가공성을 용이하게 하는 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

본 발명은 폴리락티드 수지(Polylactide resin)와 옥수수전분(Corn starch) 과 폴리비닐알코올 활석 및 지방족폴리에스테르를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

상기 폴리락티드 수지는 생분해성 고분자 또는 생분해성 플라스틱의 대표적인 물질로 유산이라고 하는 생체 내 등에 존재하는 저분자량 화합물의 중합체이다. 일반적인 폴리락티드 수지는 녹수와 같은 재생자원을 제분하여서 원재료로부터 녹말을 분리하고 상기 녹말로부터 정제되지 않은 포도당이 가공되어 진다. 상기 포도당은 발효 가공을 통하여 유산으로 만들어지며, 응축과정을 통해 유산은 폴리락티드로 된다. 상기 폴리락티드 수지는 미생물이 분비하는 효소의 작용으로 플라스틱 물질이 붕괴되고 저분자화 된 후 미생물이 이들 저분자를 흡수하여 대사 작용을 하고 최종적으로 미생물 균체와 이산화탄소, 메탄가스 등을 생성하며 최종 분해된다. 일반적인 식품용기는 폴리락티드 수지만으로 생산할 경우 퇴비 시설에서 분해가 잘 되어 친환경적이며 가공성이 우수한 장점이 있으나 가격이 비싸고 합성수지에 비해 강도가 약한 문제점이 있다.

본원 발명에서는 생산 단가를 낮추기 위해 합성수지와 혼합한 조성물로 생산된 식품용기를 대체하기 위하여 폴리락티드 수지에 옥수수전분을 첨가하였다. 폴리락티드 수지와 합성수지를 혼합하면 자연상태에서 완전한 분해가 이루어지지 않지만 옥수수전분을 폴리락티드 수지와 혼합한 조성물로 식품용기를 제조하면 자연상태에서 완전한 분해가 가능하고, 제조단가도 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

전술한 바와 같이 폴리락티드 수지에 옥수수전분을 혼합할 때 폴리락티드 수지의 중량부 대비 옥수수전분의 중량부를 늘릴 시에는 가공성을 감안하여 중량부를 결정하는 것이 바람직하다. 폴리락티드 수지는 자체적으로 다른 물질과 혼합시 가공성을 증대시키는 효과가 있으므로 옥수수전분 일정 중량부를 첨가하더라도 가공성과 경제성을 동시에 충족할 수 있는 혼합 조성물이 생성이 되지만, 너무 많은 중량부를 첨가하면, 폴리락티드 수지 자체의 가공성으로 물질이 혼합되지 못하므로 다른 가소제 등을 첨가하여 주어야 한다.

또한, 본원발명에서는 지방족폴리에스테르를 혼합하는데 상기 폴리락티드 수지와 옥수수전분의 가공을 용이하게 하는 역할을 한다. 지방족폴리에스테르 또한 생분해성 고분자의 일종이므로 폴리락티드 수지와 옥수수전분의 혼합을 용이하게 함은 물론이고 식품용기를 제조하더라도 자연상태에서 완전한 분해가 가능하다. 따라서, 상기 폴리락티드 수지와 더불어 옥수수전분과의 혼합을 증대시키는 역할물질로 사용하기에 알맞다. 그러나 상기 지방족폴리에스테르는 많은 량을 첨가할수록 가공성은 우수해지나 인장 강도는 낮아지므로 인장 강도가 무르지 않으며 가공성이 좋은 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, 본원발명은 생분해성 용기가 가지고 있는 가장 큰 문제점인 강도와 내구성을 보완하기 위하여 폴리비닐알코올을 첨가한다. 상기 폴리비닐알코올은 비닐과 도료, 접착제 및 에멀션화제등에 사용되며 생분해성 용기가 가지고 있는 가장 큰 문제점인 강도를 보완하기 위해 사용된다. 또한, 폴리비닐알코올은 열에도 안정하므로 용기의 내구성 향상에 필요하다. 그러나 상기 폴리비닐알코올은 합성수지이므로 생분해성 용기를 제공하기 위해서는 폴리비닐알코올의 함량을 최소화하고 또다른 강도 강화제인 활석과 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 활석은 분말화하면 흡수성 및 고착성이 강하고 내화성 등의 특성으로 인해 다방면에 걸쳐 충진재로 사용된다. 특히, 뛰어난 열저항성과 다른 수지와 잘 섞이는 특성 및 고착 후 강한 치수고정력을 나타내므로 경직성 및 강도를 보완하기에 알맞은 물질이다.

또한, 본원발명은 이산화티타늄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 이산화티타늄은 무색 또는 백색분말로 냄새와 맛이 없다. 물, 염산, 묽은 황산, 알코올 및 다른 유기용매에도 녹지 않으며 뜨거운 진환 황산 이외의 산에도 녹지 않기 때문에 이산화티타늄을 포함한 생분해성 조성물로 식품용기를 제조하면 식품용기의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이산화티타늄은 많은 나라에서 사용이 인정되고 있는 비타르계 색소이며 화학적인 반응성이 거의 없어 인체에 무해하므로 화장품이나 그림물감, 완구의 도료, 식품의 포장용기, 도자기의 유약, 비누 또는 인쇄잉크의 원료, 수정액 등의 주원료로 널리 이용되고 있으므로 이산화티타늄을 포함한 생분해성 조성물로 식품용기를 제조하면 플라스틱 용기의 색깔을 선명하게 할 수 있는 장점이 있다.

한편, 이산화티타늄은 최근 공기정화, 오염물 제거 등에 있어서 탁월한 효과를 나타내는 광촉매로 각광받고 있다. 이산화티타늄에 자외선을 쪼이면 다양한 종 류의 박테리아와 유해균을 살균하는 효과를 나타내므로 본원발명에서와 같이 이산화티타늄을 첨가하면 식품용기 내에서 유해균이 번식하는 것을 억제할 수 있는 용기를 제조할 수 있다.

이하, 생분해성 수지 조성물의 구성물질에 따른 바람직한 중량부를 살펴보도록 하겠다.

- 생분해성 수지 조성물의 혼합 실시예

① 시험 구성 성분표

성분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
폴리락티드 수지 (중량부)	100	100	100	100	100	100	100
옥수수전분 (중량부)	110	118	125	130	100	130	140
폴리비닐알코올 (중량부)	35	38	42	47	30	60	60
지방족폴리에스테르 (중량부)	10	14	18	22	5	7	18
활석 (중량부)	20	24	28	30	18	10	35

② 실험예

분류	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
45일 후 생분해도(%)	75.5	73.8	71.7	71.0	77.8	68.2	65.6
인장강도(MPa)	51.2	53.5	57.3	58.1	48.8	58.2	57.8

위의 실험예를 통해 생분해성 수지 조성물의 45일 후 생분해도와 인장강도를 알 수 있다.

상기 실험 중 45일 후 생분해도 실험은 KS M 3100-1:2003의 지침에 따라 실험하였으며, 가상의 호기성 퇴비화 과정에서 이론적 이산화탄소 발생량과 실제 시험물질로부터 발생하는 이산화탄소량의 비율로 생분해도를 측정하였다. 시험환경은 58±2℃의 온도와 50% 내외의 습도 및 미생물의 활동을 저해할 수 있는 가스가 없으면서 어두운 곳에서 배양하였다.

상기의 방법으로 실험한 생분해도(%)는 위의 표와 같다. 실시예 1 내지 4와 비교예 1의 45일 후의 생분해도는 70% 이상의 실험결과를 나타내었다. 상기의 생분해성 수지 조성물의 생분해도는 다른 합성수지가 혼합된 용기에 비해 친환경적이며 내구성이 높다.

한편, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 분해율을 통해 폴리락티드 수지 100중량부 대비 옥수수전분과 폴리비닐알코올의 중량부가 많이 혼합될수록 분해율이 떨어지는 것을 확인하였다. 따라서, 경제성과 강도를 고려하여 상기 옥수수전분은 폴리락티드 수지 100중량부 대비 110 ~ 130중량부로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, ASTM 638의 아령형 시편으로 상기 조성물의 인장 강도를 시험한 결과 옥수수전분의 중량부가 많이 혼합될수록 상기 생분해성 수지 조성물의 인장 강도가 약해지는 것을 확인하였다.

폴리비닐알코올은 중량부가 많이 혼합될수록 강도가 강해지며, 신장률이 줄어드므로 용기의 품질이 고르지 않은 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 경제성이 우수하여 식품용기의 제조단가를 낮출 수 있는 이점이 있다. 따라서, 본원발명 에서는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 35 ~ 47중량부로 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 3의 경우 생분해성 수지 조성물 혼합 시 혼합이 용이하고 가공성이 좋았으나 비교예 1과 비교예 2의 경우와 같이 폴리락티드 수지 100중량부 대비 지방족폴리에스테르의 중량부가 7중량부 이하 첨가될 경우 혼합이 용이하지 않음을 확인하였다. 따라서, 지방족폴리에스테르의 중량부는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 10 ~ 22중량부로 구성하는 것이 바람직하다.

실시예 1과 비교예 1의 경우 상기 실시예 1에는 활석이 20중량부 첨가되어 있으며, 비교예 1에는 활석이 18중량부 첨가되어 있다. 상기 실시예 1과 비교예 1의 실험예를 통해 활석이 적게 혼합되면 인장강도가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 3의 경우 활석의 중량부가 35중량부 첨가되어 인장강도가 57.8MPa이나 비교예 2 또는 3의 경우 혼합이 용이하지 않아 본원발명의 구성 중량부로 하기는 알맞지 않다.

따라서, 상기 폴리비닐알코올과 더불어 인장강도를 상승시켜 상기 생분해성 수지 조성물을 이용하여 만든 용기의 내구성을 증대시키는 역할을 하며, 가공성을 용이하도록 하기 위해 폴리락티드 수지 100중량부 대비 20 ~ 30중량부로 활석을 구성하는 것이 바람직하다.

본원발명에는 이산화티타늄을 더 혼합하는 것이 바람직한데, 상기 이산화티 타늄을 첨가하여 상기 생분해성 수지 조성물을 이용하여 식품용기를 만들 경우 용기에서 박테리아 등 우리 몸에 유해한 세균이 번식하는 것을 억제할 수 있으며, 플라스틱 용기의 색깔을 선명하게 내게 할 수 있는 역할을 한다. 따라서, 본원발명에서는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 3 ~ 9중량부로 이산화티타늄을 구성하여 조성물의 색깔을 선명하게 하도록 하며, 화학반응에 안정한 용기 및 세균의 번식을 억제하는 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제조하는 것이 바람직하다.

한편, 본원발명은 지방족폴리에스테르와 더불어 가소제의 역할로 모노글리세리드, 아미노에탄, 스테아린 및 글리세린 중 하나 이상의 혼합물을 더 첨가하여 가공성이 용이하게 하는 것을 특징으로 하며, 상기 가공성과 내구성의 조화를 위해 가소제의 혼합물은 폴리락티드 수지 20 ~ 30중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본원발명은 산화방지제를 첨가하는 것을 특징으로 하는데 산소의 작용에 의한 자동 산화를 방지하기 위함이다. 산화방지제로 사용되는 물질은 여러 가지가 있으나 본원발명에서는 레몬산 수지를 사용하는 것을 특징으로 하며, 폴리락티드 수지 100중량부 대비 8 ~ 20중량부를 포함한다.

또한, 본원발명은 앞서 전술한 생분해성 수지 조성물을 압출 성형하여 식품 용기를 만드는 것을 특징으로 한다. 본원발명에 사용되는 수지는 토양에 묻었을 경우 생분해가 가능하므로 생분해성 수지 조성물로 만든 용기 또한 토양에 묻었을 경우 쉽게 생분해되므로 친환경적인 식품용기를 만들 수 있으며 본원발명의 생분해성 수지 조성물에는 강도를 보완하기 위해 폴리비닐알코올과 활석을 첨가하여 강도와 생분해성을 동시에 만족시킬 수 있는 내구성이 우수한 식품용기를 만들 수 있다.

이상의 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 폴리락티드 수지 100중량부와 폴리락티드 수지 100중량부 대비 옥수수전분 110 ~ 130중량부, 폴리비닐알코올 35 ~ 47중량부, 활석 20 ~ 30중량부, 지방족폴리에스테르 10 ~ 22중량부, 이산화티타늄 3 ~ 9중량부, 항산화가소제 8 ~ 20중량부 및 모노글리세리드, 아미노에탄, 스테아린, 글리세린 중 하나 이상의 혼합물이 20 ~ 30중량부를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 내구성이 개선된 생분해성 수지 조성물.
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