KR100992398B1 - 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 및 그 제조방법과 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가교성과 상용성이 우수한 생분해성 나노복합수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포에 관한 것으로써, 본 발명은 생분해성 복합 장섬유 부직포는, 타수지와 상용성이 없고, 작업성에 문제점을 가지고 있는 PLA수지에 중성계 및 약산성 나노사이즈 기공에 생분해성 수지를 Branch화 시킨 생분해성 나노복합수지를 활용하여 가교성 및 상용성을 원활하도록 한 장점이 있고, 또 온도에 따른 용융지수(melt index)폭을 일정하게 유지시켜 생산성이 양호하고, 후가공시 작업성을 탁월하게 개선한 효과가 있다.

따라서 비분해성 합성수지로 이루어진 일회용품 시장인 마스크, 쇼핑백 산업자재외 다양한 제품군을 생분해성 합성수지로 대체할 수 있는 효과가 있다.

생분해성수지, 생분해성 나노복합수지, 부직포장섬유, 퇴비화조건, 지방족고 분자수지.

Description

생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 및 그 제조방법과 제품{Filament nonwoven fabric}

본 발명은 생분해성 나노복합수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포에 관한 것으로, 특히 상용성 및 가교성이 취약하여 장섬유부직포 생산시 단사현상 및 융점의 차이(PLA융점: 155℃, PBS,PBSA,PBA융점: 90℃~110℃)로 박리되는 현상을 생분해성 나노복합 수지를 활용하여 극복한 가교성과 상용성이 우수한 생분해성 복합 장섬유 부직포 및 이의 제조방법과 제품에 관한 것이다.

일반적으로, 장섬유 부직포는 마스크, 꽃 포장지, 쇼핑백, 산업자재와 같이 대부분 일회용 상품에 많이 활용된다.

장섬유부직포 수지는 대부분 비분해성인 PP나 PET로 구성되는데, 이는 폐기시 100년이 넘어야 분해되므로 환경문제를 야기할 뿐만 아니라 원유의 고갈시점이 다가옴에 따라 이를 대체할 수 있는 수지의 개발이 요구되고 있다.

현재 개발된 식물유래 생분해성 지방족 수지인 PLA(Poly Lactic Acid), PBS, PBSA, PBA는 이미 많이 알려져 있는 저탄소 녹색제품으로 각광받고 있으나, 온도 및 습기에 분해되는 단점으로 인해 생산시 열분해와 가수분해가 급격하게 발생되는 문제점이 있고, 또 상용성이 없어 지금까지 사용해오고 있는 PP나 PET를 이용한 장섬유 부직포를 대체할 수 있는 수지 개발에 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안한 것으로, 그 목적은, PLA수지와 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지와 생분해성 나노복합수지를 활용하여 상용성 및 가교성이 우수한 생분해성 장섬유 부직포를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 본 발명 생분해성 나노복합수지의 MI 폭을 일정한 온도에서 안정된 흐름이 유지되도록 함으로써 생분해성 장섬유 부직포의 생산성을 향상시키는데 그 목적이 있다.

아울러 본 발명은 상기 100%지방족 생분해성 나노복합수지로 제조된 장섬유 부직포로 폐기시 분해되고, 온실가스와 환경부하를 저감시켜 저탄소 녹색상품에 부합될 수 있는 미래 비분해성 대체 상품이 될 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 생분해성 복합 장섬유 부직포는,

천연오일 중 팜유의 함량이 10중량%~15중량%, PLA함량이 12중량%~15중량%,백운모 65중량%~73중량%의 나노복합수지를 제조하는 제1단계;

제1단계에서 제조된 생분해성 나노복합수지 0.5중량%~2중량%와 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지 98중량%~99.5중량%를 분산 및 확산을 위한 컴파운딩하는 제2단계;

PLA수지 90중량%~95중량%와 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지 4.8중량%~9.95중량%와 제2단계에서 과정을 통해 컴파운딩된 생분해성 나노복합수지 0.2중량%~0.05중량%를 컴파운딩하는 제3단계;

제1단계, 제2단계, 제3단계에서 선택된 수지로 구성된 생분해성 나노복합수지를 제1번 스크류 200℃부터 다이스온도 220℃까지 설정하여 장섬유 압출연신하는 제4단계;

상기 제4단계에 의해 압출연신된 수지를 순간 온도 터치방식에 의한 압착 및 융착과 동시에 결정화하여 생분해성 복합 장섬유 부직포를 형성하는 제5단계;

상기 제5단계의 생분해성 복합 장섬유 부직포를 후가공하는 제6단계; 로 구성된 제조방법에 의해 제조된다.

본 발명은 생분해성 복합 장섬유 부직포는, 타수지와 상용성이 없고, 작업성에 문제점을 가지고 있는 PLA수지에 중성계 및 약산성 나노사이즈 기공에 생분해성 수지를 Branch화 시킨 생분해성 나노복합수지를 활용하여 가교성 및 상용성을 원활하도록 한 장점이 있다. 즉, PLA수지와 상용성 및 가교성이 탁월한 중성계 또는 약산성계의 나노사이즈 무기광물(백운모 등) 기공에 생분해성 PLA수지가 기공속으로 흘러들어가 Branch가 되게 하여 PLA수지와 PBS,PBSA,PBA 수지의 상용성이 우수하도록 하는 것이다

또한, 생분해성 복합수지의 용융지수(MI : melt index)폭을 일정하게 유지시 켜 생산성이 양호하고, 후가공시 작업성을 탁월하게 개선한 효과가 있다.

따라서 비분해성 합성수지로 이루어진 일회용품 시장인 마스크, 쇼핑백 산업자재외 꽃 포장지, 방진복 등 다양한 제품군을 생분해성 합성수지로 대체할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조공정도이다.

상기한 도면에 도시한 바와 같이 본 발명 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합수지 장섬유 부직포의 제조단계는 총 6단계로 구성한다.

이를 순서에 따라 나열하면,

제 1단계: 생분해성 나노복합수지 제조단계;

제 2단계: 생분해성 나노복합수지와 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지와 분산 및 확산을 위해 1차컴파운딩 단계;

제 3단계: PLA수지와 제2단계를 2차컴파운딩 하는 단계;

제 4단계: 장섬유 압출 연신단계;

제 5단계: 순간 온도 터치방식에 의한 압착 및 융착과 동시에 결정화 단계;

제 6단계: 후가공 단계; 이다.

전술한 바와 같이 총 6단계로 이루어진 본 발명 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합수지 장섬유 부직포의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1단계

제 1단계는 생분해성 나노복합수지 제조단계로써, 그 구성비는 천연오일 중 팜유의 함량이 10중량%~15중량%,PLA함량이 12중량%~15중량%,백운모 65중량%~73중량%이다.[특허등록 제10-0655914호]]

상기 중성계 및 약산성계 무기광물(백운모)을 사용하는 것은, 약산성(PH6)인 PLA수지가 강알칼리계인 Talc, CaCo₃ Tio₂와 같은 무기광물계와의 컴파운딩되면 서로간에 체인구조를 약화 시킬 수 있기 때문이다.

제 2단계

제 2단계는 상기 1단계에서 제조된 생분해성 나노복합수지와 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지와 분산 및 확산을 위한 1차컴파운딩 단계로, 이는 후술될 3단계를 진행하기 이전 반드시 거쳐야 할 단계이며, 전술한 바와 같이 생분해성 나노복합수지의 분산 및 확산성 향상에 큰 영향을 주는 공정이다. 만일 이 공정을 거치지 않게 되면 장섬유 생산시 방사성 저하와 단사현상으로 나타나게 된다.

제2단계를 진행하는 조성물 구성비는 제1단계에서 제조된 생분해성 나노복합수지 0.5중량%~2중량%와 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지 98중량%~99.5중량% 이다.

컴파운딩을 위한 압출조건은 155℃~170℃사이에서 실시한다. 이는 압출온도 조건중 스크류온도 및 다이스 온도가 155℃미만일때 생분해성 나노복합수지중 Branch화된 PLA수지가 융점이 155℃로 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지와 가교시 융점 이하로 충분하게 분산이 안될 뿐만 아니라 가교성이 떨어지고 170℃이상 일때는 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지가 융점이 110℃미만으로 생분해성 수지가 충분하게 분산 및 가교화가 되기전에 열분해 될 우려가 있기 때문이다.

본 발명중 생분해성 나노복합수지의 함량이 생분해성 나노복합수지 총중량%에 0.2중량% 이상이면 배향 연신시 단사현상이 있을 수 있고 0.05%미만이면 PLA수지와 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지와 상용성 및 가교성이 떨어진다.

또한, 본 발명중 생분해성 나노복합수지중 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지의 함량이 총중량%중 9.8중량% 미만이면 PLA특성이 강하게 나타나 브리틀한 특성이 나타나고, 9.95% 이상이면 PLA수지와 가교화된 수지인 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지의 특성인 저융점의 특성으로 인해 내열온도가 100℃ 이하가되어 열변형으로인한 작업성이 저하될 우려가 있다.

제 3단계

제 3단계는 PLA수지와 제2단계의 수지를 2차컴파운딩 하는 단계로써, 제2단계에서 컴파운딩된 수지와 PLA수지를 스크류 온도 및 압출다이스 온도를 155℃~170℃사이에서 일반 수지 작업공정과 동일하게 진행한다. 이때 중요한 것은 컴파운딩된 수지의 수분함량이 50ppm 미만으로 제습건조 하는 것이다.

수지의 구성비는 PLA수지 90중량%~95중량%와, PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지 4.8중량%~9.95중량%와 제2단계에서 과정을 통한 생분해성 나노복합수지 0.05중량%~0.2중량%의 비율로 실시한다.

상기 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지는 MI(melt index)가 15g~20g인 수지를 선 택하여 사용한다. 이는 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지의 MI가 15g미만이면 생분해성 복합수지의 MI(220℃)가 30g미만이 될 수 있고, MI가 20g이상의 수지를 사용하면 생분해성 복합수지의 MI(220℃)가 50g이상이 되어 장섬유 부직포 생산성을 어렵게하고 단사현상을 발생 시킬 수 있기 때문이다.

상기 본 발명중 제1단계, 제2단계, 제3단계를 거쳐 개발된 생분해성 나노복합수지가 함유된 생분해성 복합수지의 MI range는 안정성을 확보할 수 있으나, PLA단일수지나 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 단일수지로 장섬유 부직포를 생산할때 온도 상승에 따른 MI의 급상승으로 인한 MI변화폭이 심하여 방사에 어려움이 발생되거나 단사현상이 발생된다.

(실험예 1)

A. 온도변화에 따른 각 수지의 MI는 표 1과 같다.

여기서 MI 측정은, 일정온도(PLA, PBS, 복합수지 : 190℃∼230℃), 일정하중(2.16㎏)에서 용융체가 규정된 오리피스(내경2.09mm, 높이 8mm)를 이동하여 10분간 압출되는 수지의 중량(g)을 측정한 값이다.

구분	190℃	200℃	210℃	220℃	230℃	비고
PLA	7g전후	10g전후	15g전후	30g전후	65g전후
PBS	8g전후	15g전후	22g전후	33g전후	45g전후
복합수지	6g	12g	20g	32g	39g

B. 온도변화에 따른 각 수지의 MI 변동폭은 표 2와 같다.

(실험예 2)

A. PBS MI에 따른 복합수지의 온도(220℃, 230℃)별 MI변화는 표 3과 같다.

이때, MI 측정은 : 일정온도(PBS : 200℃, 생분해성 복합수지 : 220℃ 및 230℃), 일정하중(2.16㎏)에서 용융체가 규정된 오리피스(내경2.09mm, 높이 8mm)을 이동하여 10분간 압출되는 수지의 중량(g)을 측정한 값이다.

아래의 표 3은, MI가 10g, 15g, 및 30g일때의 PBS와 컴파운딩된 복합수지의 온도(220℃, 230℃)별 MI에 변화를 나타낸 것이다.

조건	복합수지 220℃일때 MI	230℃일때 MI
PBS MI 10g일때 사용시	19g	28g
PBS MI 15g일때 사용시	32g	45g
PBS MI 30g일때 사용시	48g	72g

상기 실험예1, 실험예2에서 보는 것과 같이 생분해성 장섬유 부직포 방사조건중 220℃근처에서 MI변동폭이 가장 작게 나타나므로 이때의 복합수지 방사성이 우수할 뿐만 아니라 단사현상을 방지할 수 있다.

즉, 생분해성 복합수지의 방사온도는 220℃전후에서 MI가 32g 인 것이 우수한 상품성을 나타냈고 실험예1과 같이 230℃일때 PLA의 MI는 65g PBS는 실시예1의 경우 45g 복합수지는 39g으로 나타났으므로 생분해성수지의 단점인 열분해를 방지하고 단사현상을 제어할 수 있었다.

제 4단계

제 4단계는 장섬유 압출 연신단계로써, 제1단계, 제2단계, 제3단계를 거친 생분해성 복합수지를 압출 연신하는 것이다. 이때 온도조건은, 열분해가 방지 될 수 있도록 제1번 스크류 200℃부터 다이스온도 220℃까지 설정하는 것이 좋으나 일부 기계조건 및 생산 시스템에 따른 변화는 있을 수 있다.

그리고 생분해성 복합수지는 220℃에서의 MI가 30g전후인 것이 좋다. 물론 압출시 스크류압이나, 스크류 구조에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.

실험에 의하면 220℃ 일때와 230℃일때에 MI의 변동폭이 작으면 작을수록 방사성은 우수하고 열분해를 방지 할 수 있는 것으로 나타났다.

실험예 1처럼 온도(220℃∼230℃)에 따른 MI변동폭은 아래와 같다.

구 분	변 동 폭(220℃∼230℃)
PLA	35g
PBS	12g
복합수지	7g

본 발명에 있어 생산조건 중 연신에 따른 온도 조건이 연신비 및 단사현상을 방지 할 수 있는 중요한 조건중에 하나이다.

이러한 맥락에서 다이스를 통과한 생분해성 복합수지의 냉각온도는 수지의 직접온도가 55℃미만이 되어서는 안된다. 이는 생분해성 복합수지는 PLA특성으로 인해 냉각온도에 따라 수지온도가 55℃미만이면 유리전이온도 이하가 되어 배향연신시 단사현상이 발생 될 수 있기 때문이다.

바람직하게는 다이스를 통과한 수지온도의 직접온도가 90℃~110℃인 것이 좋다. 이는 배향연신시 4배~6배까지 우수한 연신성을 나타낸다. 즉, 수지의 직접 온도가 110℃이상이면 결국 PLA수지의 융점인 155℃에 근접하게 되는 것이 되므로 그 결과 배향 연신후 결정화 하는데 결정성을 약화시키거나 배향연신시 단사현상을 일으킬 수 있다.

생분해성 복합수지 장섬유 부직포는 모노 실의 굵기는 1.5데니아~ 3데니아까지 생산이 가능하며, 일반수지와 유사한 방법으로 생산하고, 또 생산속도 및 압출조건에 따라 '㎡당' 15g~200g까지의 부직포 생산이 가능하다.

연신 조건은 수지 직접온도 90℃~110℃사이에서 순간배향 연신으로 4배~6배까지 연신하는 것이 다단연신보다 연신에 따른 단사현상을 방지 할 수 있다.

다단연신은 PLA수지 특성상 55℃~110℃사이에서 연신이 가능하지만 단계별 배향연신을 할때 일부분이 결정성을 이루고 일부분은 비결정성으로 인해 단사현상이 발생될 수 있으므로 순간배향 연신결정으로 결정성을 동시에 이루는 것이 작업성 및 물성이 우수하다.

제 5단계

순간배향연신 결정성이 된 생분해성 복합 장섬유 부직포는 두 개의 압착 포리씽롤을 통과시켜 엠보 및 결정화를 이루게 한다.

본 발명에 결정화 조건은 순간온도 터치 방법에 준하되 기특허(특허등록 제10-0833583호)와 동일한 방법으로 실시한다. 즉, 2개의 포리싱롤 또는 엠보싱롤의 온도를 100℃∼110℃로 하고 생분해성 복합 장섬유 부직포의 직접온도가 90℃~110℃가 되도록 하여 순간온도 터치 방식으로 0.5초∼0.1초 사이로 구개의 포리싱롤 또는 엠보싱롤을 통과 시켜 결정화한다. 물론, 결정화 온도 조건은 방사속도 및 포리씽롤에 회전속도에 따라 조정할 수 있으나, 생분해성 복합 장섬유 부직포의 직접온도가 90℃이하이면 부직포 장섬유가 박리의 우려가 있고 110℃이상이면 결정성이 약화 될 수 있다.

제 6단계

생분해성 복합 장섬유 부직포에 후가공시 열선이 직접 닫으면 생분해성 장섬유 부직포가 열선에 녹아 붙을 수 있으므로 실링 열선위에 실리콘과 같이 피복된 간접실링 방법에 의해 생분해성 복합 장섬유 부직포에 직접온도가 90℃~110℃사이에 실링한다.

생분해성 복합수지로된 장섬유 부직포는 PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지가 연질성으로 인해 후가공작업이 원활하고 인장강도 및 충격강도를 상승시켜 준다.

상기 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 생분해성 장섬유부직포를 물성을 측정하였고, 그 수치를 일반 비분해성 소제인 PP와 PET 제품의 물성과 비교한 결과 를 표 5에 도시하였다.

TEST ITEM			Unit	20	30	50	70	100	note
PP	Unit Weight		g/㎡	20.4	30.5	50.7	70.3	100.9
	Tensile Strength	MD	㎏/5㎝	3.5	4.8	10.1	13.8	15.2
		CD	㎏/5㎝	1.6	2.7	6.8	9.8	11.3
	Elongation	MD	%	22.1	18.3	29.1	30.5	27.2
		CD	%	28.3	25.5	35.1	38.5	30.4
	tear strength	MD	㎏.f	0.39	0.52	0.92	1.64	2.61
		CD	㎏.f	0.22	0.29	0.58	1.04	1.45
	Thickness		mm	0.18	0.26	0.38	0.48	0.59
P E T	Unit Weight		g/㎡	20.3	30.4	50.7	69.9	100.9
	Tensile Strength	MD	㎏/5㎝	7.1	10.2	14.6	22.2	30.1
		CD	㎏/5㎝	2.8	4.9	6.8	12.5	17.1
	Elongation	MD	%	18.6	19.5	19.7	17.7	16.5
		CD	%	17.1	18.0	18.4	17.1	16.3
	tear strength	MD	㎏.f	0.31	0.49	0.86	0.92	1.75
		CD	㎏.f	0.13	0.27	0.45	0.57	1.23
	Thickness		mm	0.08	0.12	0.19	0.2	0.27
생분해성 복합수지	Unit Weight		g/㎡	19.7	29.2	48.8	69.8	99.5
	Tensile Strength	MD	㎏/5㎝	4.8	6.0	9.7	12.8	15.4
		CD	㎏/5㎝	2.7	3.2	6.0	7.6	8.9
	Elongation	MD	%	29.8	31.0	41.5	42.1	38.9
		CD	%	31.0	35.0	38.7	39.5	36.7
	tear strength	MD	㎏.f	0.35	0.42	0.48	0.85	0.90
		CD	㎏.f	0.16	0.21	0.31	0.39	0.51
	Thickness		mm	0.10	0.16	0.20	0.24	0.29

상기 표 5에서와 같이 본 발명 생분해성 장섬유 부직포는 일반 비분해성 제품과 대등한 물성을 갖는 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명에 따른 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조공정도

Claims (10)

1. 팜유의 함량 14중량%~15중량%, PLA함량 14중량%~15중량%, 백운모 65중량%~73중량%의 나노복합수지를 제조하는 제1단계;

   제1단계에서 제조된 생분해성 나노복합수지 0.5중량%~2중량%와 PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지 98중량%~99.5중량%를 분산 및 확산을 위한 1차컴파운딩하는 제2단계;

   PLA수지 90중량%~95중량%와, PBS,PBSA,PBA수지중 택일된 수지 4.8중량%~9.95중량%와, 상기 1차컴파운딩한 수지 0.05중량%~0.2중량%를 2차 컴파운딩하는 제3단계;

   제3단계를 거친 생분해성 나노복합수지를 스크류 및 다이스온도를 200℃∼220℃로 설정하여 장섬유 압출연신하는 제4단계;

   상기 제4단계에 의해 압출연신된 수지를 순간 온도 터치방식에 의한 압착 및 융착과 동시에 결정화하여 생분해성 복합 장섬유 부직포를 형성하는 제5단계;

   상기 제5단계의 생분해성 복합 장섬유 부직포를 후가공하는 제6단계;

   로 구성되는 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2단계에서 컴파운딩된 수지와 PLA수지를 스크류온도 및 압출다이스 온도를 155℃~170℃사이에서 일반 수지 작업공정과 동일하게 하되 컴파운딩된 수지의 수분함량은 50ppm 미만으로 제습건조 하는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제3단계는, PBS,PBSA,PBA중 택일된 수지중 MI(melt index)가 15~20g인 수지를 사용함을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제4단계에서 다이스를 통과한 생분해성 나노복합수지의 냉각온도는 수지의 직접온도가 55℃∼110℃ 이내 인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제4단계에서의 연신 조건은 수지 직접온도 90℃~110℃사이에서 순간배향 연신으로 4배~6배까지 연신하는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 실링 열선위에 실리콘과 같이 피복된 간접실링 방법에 의해 이루어지며, 생분해성 복합 장섬유 부직포의 직접온도가 90℃~110℃에서 실링하는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 수지를 활용한 생분해성 복합 장섬유 부직포 제조방법.
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