KR20120103158A

KR20120103158A - 생분해성 플라스틱 조성물 및 이 조성물로 제조된 생분해성 플라스틱 제품

Info

Publication number: KR20120103158A
Application number: KR1020110021249A
Authority: KR
Inventors: 희 승 강
Original assignee: (주)한국벤처그린산업
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-19

Abstract

본 발명은 전분, 폴리유산(PLA) 등을 포함하는 생분해성 플라스틱 조성물에 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)를 첨가하여, 전분과 폴리유산의 균질한 혼합을 도움으로써 중량비로 30 ~ 80 정도의 많은 양의 전분을 함유가능하여 생분해능이 우수한 생분해성 플라스틱 조성물과 규소계 세라믹을 추가로 포함함으로써 내열성과 강도가 강화된 생분해성 플라스틱 조성물 및 이 조성물들을 이용한 필름 혹은 고상 형태의 다양한 생분해성 플라스틱 제품을 제공한다.

Description

생분해성 플라스틱 조성물 및 이 조성물로 제조된 생분해성 플라스틱 제품{C0MPOSITION FOR BIODEGRADABLE PLASTIC AND BIODEGRADABLE PLASTIC GOODS MOLDED BY THE COMPOSITION}

본 발명은 생분해성 플라스틱 조성물과 이 조성물로 제조된 생분해성 플라스틱에 관한 것이며, 특히 폴리프로필렌 카보네이트(poly propylene carbonate)와 규소계 세라믹을 포함하는 생분해성 플라스틱 조성물과 이 조성물로 제조된 생분해성 플라스틱에 관한 것이다.

플라스틱은 가볍고, 튼튼하며, 원하는 색깔을 마음대로 낼 수 있으며, 어떤 형태로든 자유자재로 만들 수 있다는 장점이 있다. 이러한 뛰어난 가공성 때문에 플라스틱은 가전제품, 생활용품, 가구, 건축자재, 전기용품 등의 흔히 보이는 딱딱한 합성수지에서부터 비닐, 합성섬유에 이르기까지 여러 방면에서 사용되고 있다.

그러나, 이러한 플라스틱 제품들은 자연계에서 거의 분해되지 않고 반영구적으로 존재하기 때문에 다수의 환경 문제를 야기할 뿐만 아니라, 최근에는 스티렌 다이버, 스티렌 트라이머 등과 같이 내분비계를 교란시키는 환경 호르몬을 방출하는 것으로 밝혀져 사회적으로 큰 문제를 야기하고 있다.

그리고, 기존에는 폐 플라스틱을 매립, 소각, 재활용 등의 방법을 통해 처리하고 있었으나, 매립시에는 자꾸 늘어나는 쓰레기로 인하여 매립공간이 부족해지고, 인근 지역주민들에 의한 집단 이기주의 현상이 심화됨에 따라 매립지 확보가 어려울 뿐만 아니라, 매립 후에는 분해되기 어려운 플라스틱 폐기물로 인하여 지반이 안정되지 않아 매립지의 이용에 많은 문제점이 있다.

또한, 폐 플라스틱을 소각하는 경우에는 비산 분진 발생과 더불어 다이옥신, 일산화탄소 등의 유해가스가 대량 발생하여 대기오염 및 인체에 심각한 해를 끼치는 원인이 되고 있으며, 재활용하는 경우에는 플라스틱 폐기물의 분리수거가 어려우며, 수거 후에도 혼입된 불순물 제거에 과다한 비용이 소요되어 경제적 측면에서 문제가 되고 있다.

이러한 제반 문제를 해결하기 위하여, 전분을 이용한 생분해성 원료의 개발이 각광받고 있으며, 일부에서는 이를 쇼핑봉투, 이쑤시개 등에 활용하고 있다. 그러나, 종래의 전분 등을 이용하여 제조된 생분해성 플라스틱 제품의 경우, 강도 및 내충격성이 실용기준에 못 미치거나, 실제로는 생분해능이 떨어져서, 미생물에 의해 분해되기 위해서는 많은 시간이 소요되는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 내구성이 우수하면서도 생분해능을 증가시킨 플라스틱 제품을 제공하는 데 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전분; 폴리유산(PLA, poly lactic acid), 폴리카프로락톤(PCL, polycaprolactone), 폴리히드록실부티레이트-코-발레레이트(PHBV, polyhydroxylbutyrate-co-valerate), 폴리비닐알콜(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS, polybutylene succinate), 폴리필렌 글리콜산(PG, poly glycolic acid)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 및 폴리프로필렌 카르보네이트(PPC, poly propylene carbonate)를 포함하는 생분해성 플라스틱 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 전분; 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록실부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 폴리프로필렌 카보네이트(PPC); 및 규소계 세라믹을 포함하는 생분해성 플라스틱 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 생분해성 플라스틱 조성물들로 제조된 생분해성 플라스틱 제품을 제공한다.

본 발명에 따르면, 생분해성 플라스틱 조성물에 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)이 첨가됨으로써, 전분과 폴리유산(PLA) 등이 균일하게 혼합될 수 있어서, 많은 양의 전분이 함유가능하여 생분해능이 우수한 생분해성 플라스틱 조성물을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 규소계 세라믹을 추가로 포함함으로써, 내열성이 강화된 생분해성 플라스틱 조성물을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물에 의해 제조된 생분해성 플라스틱은 사용 후 분쇄되어 재활용이 가능하며, 매립되더라도 환경 호르몬의 배출 없이 빨리 분해될 수 있으며, 천연성분이므로 소각하더라도 유독가스 등이 발생하지 않아서 대기오염의 염려가 없다는 장점이 있어서, 종래의 일회용 플라스틱 제품을 대체할 수 있다.

따라서, 의료용 기구, 의료용 용기, 일회용 컵라면 용기, 도시락 용기, 일회용 숟가락 등 다양한 산업분야에서 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱을 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 생분해성 플라스틱 조성물은 전분, 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 및 폴리프로필렌 카르보네이트(PPC)를 포함하는 것이 특징이다.

'생분해성 플라스틱'은 흙 속이나 물 속에 있는 미생물에 의해 최종적으로 물과 이산화탄소로 분해되는 플라스틱으로, 미생물 대사 과정에서 만들어지는 미생물 생산 고분자 화합물을 이용해서 만든 플라스틱과 전분이나 셀룰로오스 등의 천연소재를 주성분으로 하여 제조하는 플라스틱으로 분류될 수 있다. 전분 등의 천연소재를 주성분으로 하여 제조되는 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌 같은 고분자 화합물 등에 전분을 혼합하고 첨가제를 넣어 제조한 것이다.

전분과 여러 종류의 고분자 화합물을 혼합한 플라스틱으로는, 최근에 폴리유산(PLA, Poly Lactic Acid)과 전분을 혼합하여 제조한 폴리유산(PLA) 플라스틱 등이 있으나, 상기 폴리유산(PLA) 플라스틱 등은 내구성이 낮으며, 많은 양의 전분이 함유될 수 없으므로 폐기된 이후, 미생물에 의해 분해되기 위해서는 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있어서, 실용적인 플라스틱의 재료로서의 용도 전개에 한계가 있다.

본 발명에서는, 전술한 문제가 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)(이하, '폴리유산(PLA) 등'이라 함) 등의 생분해성 플라스틱 수지와 전분이 균일하게 섞이지 않으므로 발생한다는 것을 인식하고, 전분 등에 폴리유산(PLA) 등을 혼합하여 생분해성 플라스틱 조성물을 제조함에 있어서, 폴리프로필렌 카보네이트(PPC, poly propylene carbonate)를 첨가함으로써, 폴리유산(PLA)과의 혼합과정에서 유동성을 촉진시켜, 폴리유산(PLA)과 전분 등이 서로 균일하게 혼합되도록 하여, 상기 플라스틱 제조용 조성물에 의해 제조되는 생분해성 플라스틱 제품의 내구성을 강화시킬 수 있으며, 폴리유산(PLA) 등의 고분자 화합물과 전분을 혼합하기 위하여 많은 양의 첨가제를 별도로 혼합하지 않아도 되어, 다량의 전분을 함유하는 플라스틱 제품을 제조할 수 있다.

본 발명에서 '폴리프로필렌 카보네이트(PPC, poly propylene carbonate)'는 이산화탄소(CO₂)와 산화프로필렌(PO, propylene oxide)을 혼합하여 제조한 것으로, 촉매제를 혼합하여 제조한 것도 포함한다. 상기 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)는 전분 등을 폴리유산(PLA) 등과 혼합하여 생분해성 플라스틱 조성물을 제조함에 있어서 첨가될 수 있다. 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)는 전분이나 폴리유산(PLA)을 개질하는 과정에 첨가되어, 전분과 폴리유산(PLA)의 결합 활성에너지를 떨어뜨리고 고온 하에서 전분이 폴리유산(PLA)과 접지공중합되도록 촉매제의 역활을 하므로, 전분이 폴리유산(PLA)과 균일하게 혼합되도록 한다.

본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물은 전분; 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 및 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)의 중량비는 바람직하게는 30 ~ 80 : 20 ~ 50 : 5 ~ 10이다.

이와 같이, 적은 양의 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)가 혼합되어도 폴리유산(PLA)과 전분이 잘 혼합될 수 있으므로, 상대적으로 많은 양의 전분이 첨가된 생분해성 플라스틱 조성물을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물에 의해 제조된 생분해성 플라스틱은 많은 양의 전분을 포함하여도 내구성이 낮아지지 않으므로, 내구성의 변화가 없으면서도 생분해능이 뛰어나다.

본 발명에서 '전분'은 당 업계에서 통상 사용되는 전분, 예를 들어 고구마, 감자, 옥수수, 타피오카, 쌀, 밀, 사탕수수 등의 곡류로부터 선택된 적어도 하나로부터 추출한 것으로, 분말 또는 액상 모두를 포함한다. 상기 전분은 직접 제조하여 사용할 수 있으며, 시중에 통용되는 것을 구입하여 사용할 수도 있다.

본 발명에서 전분과 혼합되어 생분해성 플라스틱 제조용 조성울을 제조하는 고분자 화합물로는, 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리유산(PLA)을 사용할 수 있다.

폴리유산(PLA)은 투명하며, 강도가 높고, 융점은 170℃, 유리전이점은 59℃의 열가소성 폴리머로 필름 및 용기 등의 압출성형, 사출성형과 섬유 라미네이트 등으로의 가공이 가능한 특징이 있다.

본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물은, 전분; 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 및 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)를 포함하며, 규소계 세라믹을 추가로 포함할 수 있다.

'규소계 세라믹'을 첨가하면, 전분과 폴리유산(PLA), 폴리프로필렌 카르보네이트(PPC) 등이 혼합된 생분해성 플라스틱 조성물의 내열성 및 강도를 증가시킬 수 있다. 특히, 폴리유산(PLA)의 열변형 온도는 58℃ 이하로 매우 낮은 데, 상기 규소계 세라믹을 첨가하면 상기 혼합물의 열변형 온도를 100℃ 이상으로 증가시킬 수 있으므로 바람직하다.

규소계 세라믹은 규소(silicon)을 포함하는 세라믹으로, 산화물, 규산염 등의 형태로 포함될 수 있다. 상기 규소계 세라믹은 분말 또는 액상 형태로 첨가될 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물은, 전분; 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 폴리프로필렌 카보네이트(PPC); 규소계 세라믹의 중량비는 바람직하게는 30~80 : 20 ~ 50 : 5 ~ 10 : 0.1 ~ 5이다.

또한, 상기 생분해성 플라스틱 조성물은 안정제, 충진제, 항상화제, 촉진제, 글레세롤, 왁스, 파라핀, 전해질, 반응조제, 불용성 염류 및 시트르산 나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.

본 발명에서 '안정제'로는 기계적으로 덩어리가 응결되는 것을 방지하기 위해, 불용성의 유기 및 무기물질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 섬유소(hydroxyetylene cellulose)를 사용할 수 있다.

본 발명의 '충진제'로는 일반적으로 무색의 결정 또는 백색 고체 등의 활석분(탈크, 산화티타늄 또는 탄산칼슘)을 사용할 수 있으며, 또한, 무기질 충진제로 키토산을 사용할 수 있다. 충진제를 첨가하면 원료의 비중이 높아져서 압출량이 늘어나게 되며, 강성과 열변형 온도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 '항산화제'로는 디-터트-부틸페놀(di-tert-butyl phenol) 계통을 사용할 수 있다.

본 발명에서 '촉진제'는 전분 등과 폴리유산(PLA) 등의 반응을 촉진하기 위해 사용할 수 있으며, 지방족 유기산의 금속염인 올리인산 망간, 마그네슘 테아레이트, 제 1 철올레인산, 칼슘 스테아레이트 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 압출시 생분해성 플라스틱 조성물이 기계 밖으로 나올 때 잘 배출되도록 하기 위해, 글리세롤, 왁스, 파라핀 등을 사용할 수 있다. 상기 왁스는 천연왁스 뿐아니라 저분자 폴리올레핀계인 폴리프로필렌 왁스(PP wax, polypropylene wax), 폴리에틸렌 왁스(PE wax, polyethylene wax) 등도 사용할 수 있다. 상기 폴리프로필렌 왁스, 폴리에틸렌 왁스는 천연왁스류에 비하여 내구성이 우수하여, 각종 플라스틱, 고무, 제지, 잉크, 페인트, 섬유, 접착제 및 광택제 등의 제품에 기능성 물성을 향상시키기 위한 천연왁스류 대용품으로 사용된다.

그리고, 본 발명에서는 상사이의 계면장력을 증가시키는 '전해질'로서 제라틴, 항산화제 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 생분해성 플라스틱 조성물의 제조에 있어서, 반응조제가 첨가될 수 있는 데, 상기 반응조제는 전분, 폴리유산(PLA) 등과 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)가 더욱 잘 혼합될 수 있도록 보조하는 역활을 하는 것으로, 지방족 유기산 또는 지방족 산아민 계통이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 지방족 유기산으로는 올레인산, 리놀산, 스테아린산, 팔미트산 등을 사용할 수 있으며, 상기 지방족 산아민 계통으로는 올레인산, 산아민, 스테아린과 산아민의 혼합물, 카프로락탐(carprolactam) 등이 사용될 수 있다. 그 외에, 탄산바륨(BaCO₃), 황산칼슘(CaSO₄), 염화마그네슘(MgCl₂) 등의 불용성 염류가 첨가될 수 있다.

이와 같이, 상기 생분해성 플라스틱 조성물에는 상기 안정제 등의 첨가제가 상기 혼합물 전체 중량에 대하여 2 ~ 10 중량% 첨가될 수 있다. 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 조성물은 110 ~ 120℃의 온도에서 교반 및 분쇄하여 호화 상태로 반죽하는 단계; 상기 반죽을 바람직하게는 30 ~ 50℃의 온도로 냉각 탈수하여, 수분함유율을 약 1%로 유지하는 단계; 상기 탈수된 반죽을 압출하여 팰릿 또는 과립의 형태로 성형하는 압출단계에 의해 생분해성 플라스틱 원료를 제조할 수 있다. 바람직하게는 120 ~ 210℃에서 압출하여 팰릿(pallet) 또는 과립의 형태로 성형하여 압출할 수 있다.

[실시예 1]

옥수수에서 추출한 전분가루 1000g, 폴리유산(PLA) 300g, 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 3g을 10 분간 혼합한 후, 이 혼합물에 키토산 4g, 활석분 3g, 세라믹 2g을 추가한 후 다시 5분간 혼합하였다. 이 혼합물을 110℃의 온도에서 500rpm으로 5분간 교반 및 분쇄하여 반죽한 뒤, 상기 반죽을 40℃에서 냉각하여 탈수하되, 수분함유율을 1%로 유지하도로 탈수하였다. 그리고, 상기 탈수된 반죽을 190℃의 온도에서 압출하여 2 ~ 3mm의 팰릿 형태로 성형하였다.

[실시예 2]

옥수수에서 추출한 전분가루 1000g, 폴리유산(PLA) 200g, 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 5g을 10분간 혼합한 후, 이 혼합물에 키토산 4g, 활석분 3g, 세라믹 2g을 추가한 후 다시 5분간 혼합하였다. 이 혼합물을 110℃의 온도에서 500rpm으로 5분간 교반 및 분쇄하여 반죽한 뒤, 상기 반죽을 40℃에서 냉각하여 탈수하되, 수분함유율을 1%로 유지하도로 탈수하였다. 그리고, 상기 탈수된 반죽을 190℃의 온도에서 압출하여 2 ~ 3mm의 팰릿 형태로 성형하였다.

이와 같이, 팰릿 형태로 제조된 본 발명에 따른 생분해성 플라스틱 제조용 원료는 필요에 따라 원하는 형태의 금형이 포함된 진공 또는 압공 성형기 등을 이용하여, 필름형태로서 농업용 멀칭, 롤백, 쓰레기 봉투 등의 필름형 플라스틱 제품으로 제조될 수 있으며, 또한 의료용 임신 체크 기구, 의료용 용기, 일회용 컵라면 용기, 도시락 용기, 일회용 숟가락 등의 다양한 고상 형태의 생분해성 플라스틱 제품으로 제조될 수 있다. 본 발명에서 '생분해성 플라스틱 제품'이란 상술한 바와 같은 필름형 플라스틱 제품 및 고상 형태의 플라스틱 제품을 모두 포함하는 의미로 사용되었다.

Claims

전분; 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리리드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 및 폴리프로필렌 카르보네이트(PPC)을 중량비로 각각 30 ~ 80 : 20 ~ 50 : 5 ~ 10으로 포함하는 생분해성 플라스틱 조성물.
전분; 폴리유산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리리드록시부티레이트-코-발레레이트(PHBV), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리필렌 글리콜산(PG)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나; 폴리프로필렌 카르보네이트(PPC); 및 규소계 세라믹을 중량비로 각각 30 ~ 80 : 20 ~ 50 : 5 ~ 10 : 0.1 ~ 5로 포함하는 생분해성 플라스틱 조성물.
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 생분해성 플라스틱 조성물로 제조되는 생분해성 플라스틱 제품.