KR102163344B1 - Method of preparing bioplastics, bioplastics parepared thereby, and film, sheet or container using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 바이오플라스틱의 제조 방법, 이에 의해 제조된 바이오플라스틱 및 이를 사용한 필름, 시트 또는 용기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 비식용계 식물체 원료 및 중합체를 사용한 바이오플라스틱의 제조 방법, 이에 의해 제조된 바이오플라스틱 및 이를 사용한 식품 포장용 필름, 시트 또는 용기에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a bioplastic, a bioplastic manufactured thereby, and a film, sheet or container using the same, and more specifically, a method for manufacturing a bioplastic using a non-edible plant material and a polymer, and a bioplastic manufactured thereby. It relates to plastics and food packaging films, sheets or containers using the same.
음식물을 포함한 식품의 포장은 상품의 운반, 전달 및 상품의 정보 전달 등을 위한 최종 단계의 하나로 인식되어, 식품 개발 및 제조 부분에 비해 그 중요성이 상대적으로 낮게 평가되고 있었지만, 최근 들어, 식품의 유통 및 판매 과정에서의 기능 이외에 제품의 내용물 보호, 기능성 부여, 시장 경쟁력 확보를 위한 중요 요소로 인식되고 있어, 식품 포장에 대한 연구 개발의 중요성이 크게 확산되고 있다. Packaging of food, including food, is recognized as one of the final steps for transporting, delivering and delivering product information, and its importance has been evaluated relatively low compared to food development and manufacturing, but in recent years, food distribution In addition to the functions in the sales process and the functions in the sales process, it is recognized as an important factor for protecting the contents of the product, imparting functionality, and securing market competitiveness, and thus the importance of research and development for food packaging is greatly spreading.
음식물을 포함한 식품의 포장재로는 유리, 금속, 종이, 플라스틱 등의 재질들이 주로 기능적인 관점에서 선택되어 사용되어 왔지만, 최근에는 식품 포장의 본래 기능보다도 사용 후에 발생되는 포장 폐기물 문제가 대두되어, 포장재 재질을 고려하지 않을 수 없게 되었다.Materials such as glass, metal, paper, and plastic have been mainly selected and used as a packaging material for food, including food, but recently, the problem of packaging waste generated after use rather than the original function of food packaging has emerged. It became compelling to consider the material.
플라스틱 소재는 물성, 가공성 등이 우수하여 식품이 포장되고 유통되는 과정에서 품질을 보존하는 가장 중요한 소재로 자리매김하고 있으나, 사용 후 발생되는 포장 폐기물에 의한 환경오염이 심각한 사회문제로 대두되고 있다.Plastic materials have excellent physical properties and processability, so they are positioned as the most important material that preserves quality in the process of packaging and distribution of food, but environmental pollution caused by packaging waste generated after use has emerged as a serious social problem.
통상 식품포장용으로 사용되고 있는 범용 플라스틱 재료는 반영구적이기 때문에 각종 플라스틱 필름 및 용기 등이 폐기되었을 때 완전히 분해되기까지 너무 오랜 기간이 걸릴 뿐만 아니라 환경오염 물질을 배출하기 때문에 더욱더 문제시되고 있으며, 이들을 소각하여 처리하면, 연소과정에서 먼지를 비롯한 산성가스(SO2 및 NOx), 중금속, 할로겐 물질, 다이옥신 및 불완전 연소물 등 많은 오염물질이 배출되고 있는 실정이다.Since general-purpose plastic materials used for food packaging are semi-permanent, it takes too long to be completely decomposed when various plastic films and containers are discarded, and it is becoming more and more problematic because environmental pollutants are discharged. Under the circumstances, many pollutants such as dust, acid gases (SO 2 and NO x ), heavy metals, halogen substances, dioxin and incomplete combustion products are being discharged during the combustion process.
2000년대에 들어 플라스틱 폐기물은 전체 폐기물의 11%를 상회하고 있어, 플라스틱 폐기물을 효율적으로 저감하거나 처리하는 방법에 대한 관심과 필요성이 더욱 높아졌으며, 그 중에서 생분해성 플라스틱을 포함하거나 바이오매스와 플라스틱을 혼합시킨 바이오플라스틱(Bioplastics)은 가장 친환경적이고 효율적인 해결책으로 주목받으면서 국내외적으로 많이 연구되기 시작하였다. In the 2000s, plastic waste accounted for more than 11% of the total waste, so interest and necessity for methods of efficiently reducing or disposing of plastic waste increased. Among them, biodegradable plastics were included or biomass and plastics were used. Blended bioplastics began to be studied both domestically and internationally, attracting attention as the most environmentally friendly and efficient solution.
지구온난화의 주범으로 인식되고 있는 이산화탄소를 줄이기 위하여 탄소 중립(Carbon neutral)형 소재인 식물체 바이오매스를 플라스틱과 혼합하고 복합화시킨 바이오플라스틱은, 자연 상태에서 분해될 수 있어 환경적인 영향을 최소화하면서 환경오염 문제의 방지 및 해결에 도움이 될 뿐 아니라 식품의 안전성 문제도 해결할 수 있게 해주는 포장재료로서 유용하다. 최근에는 식량자원과 연계되어 기존 식량자원인 전분의 사용을 배제하고 식용으로 사용되지 않는 비식용계 유기성 부산물을 사용한 바이오플라스틱의 개발 및 포장재료로서의 제품화에 대한 연구가 급속하게 진행되고 있다. In order to reduce carbon dioxide, which is recognized as the main culprit of global warming, bioplastics mixed with plastics and compounded with plant biomass, a carbon neutral material, can be decomposed in nature, thereby minimizing environmental impact and environmental pollution. It is useful as a packaging material that not only helps to prevent and solve problems, but also helps to solve food safety problems. In recent years, in connection with food resources, research on the development of bioplastics using non-edible organic by-products that are not used for food and commercialization as packaging materials has been rapidly progressing, excluding the use of starch, which is an existing food resource.
현실적으로는 생분해 플라스틱 및 중합방식에 의한 바이오-기반 플라스틱은 원료가 고가이거나 제조 비용이 높고 물성이 취약하기 때문에, 바이오매스와 플라스틱을 결합 또는 복합화시킨 바이오-베이스 플라스틱이 개발되어 대량 생산되고 있다. 결합 방식에 의한 바이오-베이스 플라스틱은 기존 생붕괴 플라스틱에 비하여 인장, 신장 등 물성이 개선되었고, 최종 생분해 기간이 연장되어 농업분야, 식품 포장분야, 산업용, 자동차, 지하매설용 등에 적용되고 있으며,특히 가격 경쟁력이 우수하여 그 산업화 속도가 매우 빠르다는 평가를 받고 있다. In reality, bio-based plastics that combine or combine biomass and plastics have been developed and mass-produced because raw materials are expensive, manufacturing costs are high, and physical properties are weak. Bio-based plastics by the bonding method have improved properties such as tensile and elongation compared to existing biodegradable plastics, and the final biodegradation period has been extended, so that they are applied to agriculture, food packaging, industrial, automobiles, and underground burials. Due to its excellent price competitiveness, its industrialization rate is being evaluated as very fast.
특허문헌 1은 식용으로 쓰고 남은 왕겨, 대두피, 소맥피, 옥피비식용계 원료 내지 3종을 티타슘, 지르코슘, 실리콘 계열의 바인더를 사용하여 플라스틱과 혼합하여 바이오플라스틱 펠렛을 제조하고 이를 사출하는 구성에 대해서 개시하고 있다. 그러나 상기 특허문헌 1의 방법으로 제조된 바이오플라스틱은 강도가 불충분하여 식품의 포장용기로 사용하기에 적합하지 않다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 상기 문헌에는 바이오플라스틱의 식물체 원료를 압출할 때 필수적으로 발생하는 산화, 탄화, 상분리 등의 문제 및 이들을 해결하기 위한 수단에 대해서는 개시하고 있지 않다.Patent Literature 1 describes bioplastic pellets by mixing 3 kinds of rice husk, soybean husk, wheat husk, and okpi non-edible raw materials used for food with plastic using a binder of titanium, zirconium, and silicon, and injecting them. The configuration is disclosed. However, there is a problem that the bioplastic manufactured by the method of Patent Document 1 has insufficient strength and is not suitable for use as a food packaging container. In addition, the document does not disclose problems such as oxidation, carbonization, phase separation, etc., which occur essentially when extruding a plant material of bioplastic, and a means for solving them.
따라서, 식물체 원료의 열변성 및 바이오플라스틱의 강도 저하를 방지할 수 있는 새로운 바이오플라스틱 제조 방법을 개발하기 위한 연구가 필요하였다. Therefore, there is a need for research to develop a new bioplastic manufacturing method capable of preventing thermal denaturation of plant materials and decrease in strength of bioplastics.
본 발명자들은 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박과 같은 비식용계 식물체 바이오매스를 플라스틱과 혼합 및 복합화하여 바이오플라스틱를 제조하는 과정에서, 높은 공정온도로 인한 식물체 바이오매스의 탄화, 산화 등으로 인한 변성을 방지하면서 혼합 및 복합화를 진행하고, 얻어진 바이오플라스틱의 강도를 포함한 물성을 저하시키지 않거나 향상시킬 수 있는 방법을 개발하고자 하였다.The inventors are rice husk. Soybean skin, wheat skin, jade skin, rice paddy, wheat stick, reed. Wormwood. bamboo. Wood flour. In the process of manufacturing bioplastics by mixing and complexing non-edible plant biomass such as coffee meal and soybean meal with plastic, mixing and compounding are carried out while preventing degeneration due to carbonization and oxidation of plant biomass due to high process temperature. , To develop a method capable of improving or not reducing physical properties including strength of the obtained bioplastic.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and another problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 비식용계 식물체 및 중합체를 복합화시킨 후에 압출하여 바이오플라스틱를 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:In order to solve the above object, the present invention provides a method for producing a bioplastic by compounding a non-edible plant and a polymer and then extruding, the method comprising the following steps:
(단계 1) 비식용계 식물체, 중합체 및 결합제를, 80 내지 150℃의 온도에서 고속으로 분쇄하는 1차 저온 분쇄 단계; (Step 1) a first low-temperature grinding step of grinding non-edible plants, polymers, and binders at high speed at a temperature of 80 to 150°C;
(단계 2) 1차 저온 분쇄된 분말을 -20 내지 0℃의 온도에서 고속으로 분쇄하는 2차 냉결 분쇄 단계;(Step 2) a second cold crushing step of pulverizing the first low-temperature pulverized powder at high speed at a temperature of -20 to 0°C;
(단계 3) 2차 냉결 분쇄된 분말을 길이-직경비(LD비) 60 이상의 이축압출기에 일정한 속도로 공급하고 130∼170℃에서 압출하는 압출 단계.(Step 3) An extrusion step of supplying the secondary cold-crushed powder to a twin-screw extruder with a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more at a constant rate and extruding at 130 to 170°C.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비식용계 식물체는 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the non-edible plant is rice husk. Soybean skin, wheat skin, jade skin, rice paddy, wheat stick, reed. Wormwood. bamboo. Wood flour. It may be selected from the group consisting of coffee meal, soybean meal, and mixtures thereof.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중합체는 올레핀계 중합체; 비닐계 중합체; 아미드계 중합체; 에스테르계 중합체, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물, 이들의 변성물 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the polymer is an olefin-based polymer; Vinyl polymer; Amide polymer; It may be selected from the group consisting of ester-based polymers, copolymers thereof, mixtures thereof, modified products thereof, and alloys thereof.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 결합제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제 및 지르코늄계 커플링제로 구성된 군에서 선택될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the binder may be selected from the group consisting of a silane-based coupling agent, a titanium-based coupling agent, and a zirconium-based coupling agent.
본 발명의 일 실시예에 따르면,상기 첨가제는 윤활제, 항균제, 전분 또는 변성 전분 및 코팅제로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the additive may be at least one selected from the group consisting of a lubricant, an antibacterial agent, a starch or a modified starch and a coating agent.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계 1에서, 비식용계 식물체 20∼50중량부, 중합체 50∼80중량부, 결합제 1∼5중량부 및 첨가제 2∼15중량부의 비율로 사용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step 1, 20 to 50 parts by weight of non-edible plants, 50 to 80 parts by weight of a polymer, 1 to 5 parts by weight of a binder, and 2 to 15 parts by weight of an additive may be used.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계 1에서, 상기 비식용계 식물체 및 중합체의 합계량 100중량부를 기준으로 전분 또는 변성 전분을 5 내지 12중량부의 양으로 첨가할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step 1, starch or modified starch may be added in an amount of 5 to 12 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the non-edible plant and polymer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계 1에서, 비식용계 식물체 및 중합체를 분말 상태로 사용할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in step 1, non-edible plants and polymers may be used in a powder state.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계 3에서, 이축압출기 내에서 발생되는 수증기를 감압 하에 배출할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in step 3, water vapor generated in the twin-screw extruder may be discharged under reduced pressure.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱의 제조 방법에 의해 제조된 바이오플라스틱가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a bioplastic manufactured by the method for manufacturing the bioplastic.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱를 사출하여 제조된 식품 포장 용기가 제공된다. According to an embodiment of the present invention, a food packaging container manufactured by injecting the bioplastic is provided.
본 발명에 따르면, 비식용계 식물체의 탄화, 산화 등으로 인한 변성을 방지하면서 중합체의 강도를 포함한 물성을 저하시킴이 없이 비식용계 식물체와 중합체를 혼합 및 복합화하여 바이오플라스틱을 제조할 수 있고, 이로부터 물성이 우수한 친환경 필름, 시트 또는 용기를 제공할 수 있다. According to the present invention, bioplastics can be prepared by mixing and complexing non-edible plants and polymers without deteriorating physical properties including the strength of the polymer while preventing degeneration due to carbonization and oxidation of non-edible plants. An eco-friendly film, sheet or container with excellent physical properties can be provided.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 바이오플라스틱의 제조 방법의 일 실시예에 대한 공정 순서도를 보여주는 도면이다.
도 2는 결합 방식에 의한 바이오-베이스 플라스틱의 모식도로서, 좌측은 바이오매스와 플라스틱이 혼합된 생붕괴 플라스틱의 혼합 모식도이고, 우측은 바이오매스와 플라스틱이 화학적으로 결합되거나 복합화된 바이오-베이스 플라스틱의 결합 모식도이다.
도 3은 비식용계 식물체의 분쇄 및 분급에 일반적으로 사용되는 ACM(Air Classifying Mill)장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 압출기 장비의 구성을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명에서 사용될 수 있는 압출기의 호퍼, 니더, 다이등의 구성을 보여주는 모식도이다.1 is a diagram showing a process flow chart of an embodiment of a method for manufacturing a bioplastic according to the present invention.
2 is a schematic diagram of a bio-based plastic by a bonding method, the left is a schematic diagram of a mixture of biodegradable plastics in which biomass and plastic are mixed, and the right is a bio-based plastic in which biomass and plastic are chemically bonded or complex. It is a schematic diagram.
3 is a schematic diagram of an ACM (Air Classifying Mill) device generally used for crushing and classifying non-edible plants.
4 is a schematic diagram showing the configuration of an extruder equipment that can be used in the present invention.
5 is a schematic diagram showing the configuration of a hopper, a kneader, and a die of an extruder that can be used in the present invention.
본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Before describing the present invention in detail, terms or words used in the present specification should not be unconditionally limited and interpreted in a conventional or dictionary meaning, and in order for the inventors of the present invention to describe their invention in the best way It should be understood that the concepts of various terms can be appropriately defined and used, and furthermore, these terms or words should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.That is, the terms used in this specification are only used to describe a preferred embodiment of the present invention, and are not intended to specifically limit the content of the present invention, and these terms are used to describe various possibilities of the present invention. It should be noted that this is a term defined in consideration.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.In addition, in this specification, it should be understood that the singular expression may include a plural expression unless clearly indicated in a different meaning in the context, and even if similarly expressed in the plural, the singular expression may include the meaning of the singular number. do.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Throughout the present specification, when a component is described as "including" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component unless otherwise indicated. It could mean you can do it.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.Further, in the following description of the present invention, a detailed description of a configuration that is determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, for example, a known technology including the prior art may be omitted.
이하에 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. The present invention will be described in more detail below.
본 발명의 첫번째 목적은, 비식용계 식물체 및 중합체를 복합화시킨 후에 압출함으로써 바이오플라스틱을 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 구체적으로는 하기 단계를 포함한다:The first object of the present invention is to provide a method for producing a bioplastic by complexing and then extruding a non-edible plant and a polymer, the method specifically comprising the following steps:
(단계 1) 비식용계 식물체, 중합체 및 결합제를, 80 내지 150℃의 온도에서 고속으로 분쇄하는 1차 저온 분쇄 단계; (Step 1) a first low-temperature grinding step of grinding non-edible plants, polymers, and binders at high speed at a temperature of 80 to 150°C;
(단계 2) 1차 저온 분쇄된 분말을 -20 내지 0℃의 온도에서 고속으로 분쇄하는 2차 냉결 분쇄 단계;(Step 2) a second cold crushing step of pulverizing the first low-temperature pulverized powder at high speed at a temperature of -20 to 0°C;
(단계 3) 2차 냉결 분쇄된 분말을 길이-직경비(LD비) 60 이상의 이축압출기에 일정한 속도로 공급하고 130∼170℃에서 압출하는 압출 단계. (Step 3) An extrusion step of supplying the secondary cold-crushed powder to a twin-screw extruder with a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more at a constant rate and extruding at 130 to 170°C.
본 발명의 두 번째 목적은, 상기 제조 방법으로 제조된 바이오플라스틱를 제공하는 것이다. The second object of the present invention is to provide a bioplastic manufactured by the above manufacturing method.
본 발명의 세 번째 목적은, 상기 제조 방법으로 제조된 바이오플라스틱를 사용하는 필름, 쉬트 또는 용기를 제공하는 것으로, 이들은 식품 포장용으로 사용될 수 있다. A third object of the present invention is to provide a film, sheet, or container using the bioplastic manufactured by the above manufacturing method, which can be used for food packaging.
이와 관련하여, 도 1은 본 발명의 바이오플라스틱의 제조 방법에 따른 공정 흐름도를 보여주는데, 구체적으로는, 비식용계 식물체를 분쇄하고, 얻어진 분말을 중합체, 결합제 및 첨가제와 혼합하고, 얻어진 혼합물을 1차 저온 분쇄 및 2차 냉결 분쇄하여 복합체를 제조하고, 얻어진 복합체를 압출하여 바이오플라스틱를 제조하고, 이를 사용하여 필름, 쉬트 또는 용기와 같은 제품을 제조하는 흐름을 순차적으로 보여준다. In this regard, FIG. 1 shows a process flow diagram according to the method of manufacturing a bioplastic of the present invention, specifically, a non-edible plant is pulverized, the obtained powder is mixed with a polymer, a binder and an additive, and the obtained mixture is first The flow of producing a composite by low-temperature pulverization and secondary cold crushing, extruding the obtained composite to produce a bioplastic, and using the composite to produce a product such as a film, sheet, or container is sequentially shown.
도 2는 결합 방식에 의한 바이오-베이스 플라스틱의 모식도를 보여주는데, 좌측은 바이오매스와 중합체가 혼합된 생붕괴 플라스틱의 혼합 모식도이고, 우측은 바이오매스와 중합체가 화학적으로 결합되거나 복합화된 바이오-베이스 플라스틱의 결합 모식도이다.Figure 2 shows a schematic diagram of a bio-based plastic by a bonding method, the left is a schematic diagram of a mixture of biodegradable plastics in which biomass and polymer are mixed, and the right is a bio-based plastic in which biomass and polymer are chemically bonded or complex. It is a schematic diagram of the combination of
상기 도 1의 공정 흐름도에 따라 제조된 본 발명의 바이오-베이스 플라스틱은, 기계적 결합이 치밀할 뿐만 아니라, 상기 도 2의 우측의 그림에 나타낸 바와 같이, 바이오매스와 중합체가 화학적으로 결합되거나 복합화되어 있어 우수한 물성을 나타낼 수 있다. The bio-based plastic of the present invention manufactured according to the process flow diagram of FIG. 1 not only has a dense mechanical bond, but as shown in the figure on the right of FIG. 2, the biomass and the polymer are chemically bonded or compounded. It can exhibit excellent physical properties.
1. 비식용계 식물체1. Non-edible plants
바이오플라스틱에 사용되는 식물체 바이오매스는 크게 식용계 식물체(예. 쌀가루, 대두분, 옥수수전분, 감자전분, 밀가루 등) 및 비식용계 식물체(예. 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박 등)로 구분된다. Plants used in bioplastics Biomass is largely edible plants (eg rice flour, soybean meal, corn starch, potato starch, wheat flour, etc.) and non-edible plants (eg rice husk, soybean husk, wheat husk, okpi, rice stalk, wheat straw, etc.) , Reed, mugwort, bamboo, wood flour, coffee meal, soybean meal, etc.).
대두분 및 전분 등의 식용계 식물체는 비식용계 식물체에 비해 품질이 균일하고 중합체나 고분자 화합물과의 혼합 또는 결합에 더욱 유리하여, 지금까지는 바이오플라스틱의 제조에 식용계 식물체가 많이 사용되었다. 그러나, 식용계 식물체는 일부 국가 및 지역에서는 귀중한 식량자원이므로, 최근에는 비식용계 식물체를 활용한 바이오플라스틱의 개발 및 사용이 권장되고 있다. Edible plants, such as soybean meal and starch, have uniform quality compared to non-edible plants and are more advantageous in mixing or combining with polymers or polymer compounds. Thus, edible plants have been widely used in the production of bioplastics. However, since edible plants are valuable food resources in some countries and regions, the development and use of bioplastics using non-edible plants has been recently recommended.
일반적으로, 수분은 수지자체의 물성을 약하게 하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 비식용계 식물체의 경우 수확을 하고 난 후 젖어 있는 경우나 보관하면서 수분을 흡수하게 된다. 이러한 수분들이 나중에 바이오플라스틱의 물성을 저하시키는 중요한 원인이 된다.In general, it is known that moisture plays a role in weakening the physical properties of the resin itself. In the case of non-edible plants, they absorb moisture when they are wet or stored after harvesting. These moistures later become an important cause of deteriorating the physical properties of bioplastics.
일반적으로 바이오-베이스 플라스틱을 얻기 위해서 비식용계 원료인 왕겨, 대두피, 옥피, 소맥피를 ACM(Air Classifying Mill) 등을 이용하여 분쇄하고 있다.In general, in order to obtain bio-based plastics, non-edible raw materials such as rice husk, soybean husk, ox pea, and wheat husk are pulverized using an ACM (Air Classifying Mill).
분쇄된 식물체를 건조기, 예를 들면 원통 회전식 건조기(모델명:D560, 제조사:Hwain Machinery, Wonju, Korea)를 사용하여 100±5°C에서 30분간 열풍건조하여 수분을 제거하였다. 분쇄된 입자는 작고 기공성이 있어 수분을 항상 보유하고 있다. 이 수분은 바이오-베이스 플라스틱의 물성에 영향을 미치는 중요한 원인이 된다. 따라서, 분쇄된 식물체는 수분함량 0.3ppm 이하, 바람직하게는 0.2ppm 이하가 될 때까지 건조하는 것이 바람직하다. The pulverized plants were dried with hot air at 100±5°C for 30 minutes using a dryer, for example, a cylindrical rotary dryer (model name: D560, manufacturer: Hwain Machinery, Wonju, Korea) to remove moisture. The pulverized particles are small and have porosity, so they always retain moisture. This moisture is an important factor affecting the properties of bio-based plastics. Therefore, it is preferable to dry the pulverized plant until the moisture content reaches 0.3 ppm or less, preferably 0.2 ppm or less.
본 발명에 있어서, 비식용계 식물체로는 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박, 셀룰로오스 등이 예시될 수 있으며, 주로 왕겨, 옥피, 소맥피 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 비식용계 식물체는 단독으로 사용되거나, 2종 이상의식물체, 구체적으로는 2∼4종의 식물체를 혼합하여 사용할 수 있다. In the present invention, the non-edible plant is rice husk. Soybean skin, wheat skin, jade skin, rice paddy, wheat stick, reed. Wormwood. bamboo. Wood flour. Coffee meal, soybean meal, cellulose, etc. may be exemplified, and it is preferable to mainly use rice hull, okpi, wheat pea, and the like. These non-edible plants may be used alone, or two or more types of plants, specifically, 2 to 4 types of plants may be mixed and used.
본 발명에 있어서, 바이오플라스틱의 제조 시에, 바이오매스인 비식용계 식물체는 먼저 분말 형태로 만들고 수분을 최대한 제거한 다음에, 중합체 또는 고분자 화합물로 된 매트릭스 내에 혼입된다. 식물체를 분말 형태로 만드는 방법 및 분말 입도는 엄밀하게 제한되지 않지만, 보통 ACM 분쇄기 등을 이용하여 200∼400메쉬(mesh)로 분쇄 및 분급된다.In the present invention, in the production of bioplastics, non-edible plants, which are biomass, are first made into a powder form to remove moisture as much as possible, and then incorporated into a matrix made of a polymer or a polymer compound. The method of making the plant into a powder form and the particle size of the powder are not strictly limited, but are usually pulverized and classified into 200 to 400 mesh using an ACM grinder or the like.
도 3은 비식용계 식물체의 분쇄 및 분급에 일반적으로 사용되는 ACM(Air Classifying Mill)장치의 모식도를 보여준다. 3 shows a schematic diagram of an ACM (Air Classifying Mill) device generally used for crushing and classifying non-edible plants.
입도가 200메쉬 이하일 경우, 입자가 너무 크기 때문에 고분자와 고분자간의 결합이 멀어져 늘어지게 되며 이러한 문제로 인해 물성이 약해지게 된다.If the particle size is less than 200 mesh, the bond between the polymer and the polymer is stretched because the particle is too large, and physical properties are weakened due to this problem.
입도가 400메쉬 이하일 경우, 플라스틱 물성에 영향을 미치는 부분이 적어지게 되어 더 좋은 물성을 나타낼 수 있으나, 입자가 너무 작아져 분급에 어려움이 있으며, 400메쉬 이상 입자들의 수득률이 낮은 문제가 있다.If the particle size is less than 400 mesh, the part that affects the plastic properties decreases, so that better physical properties may be exhibited, but there is a problem in that the particles are too small to be classified, and the yield of particles of 400 mesh or more is low.
본 발명에 있어서, 비식용계 식물체는 100∼200메쉬의 입도 및 5∼6%의 수분함량을 가지도록 분쇄하여 본 발명의 1차 저온 분쇄 단계(단계 1)에 투입될 수 있다. 식물체를 5∼6% 보다 낮은 수분함량으로 분쇄 및 건조하여도, 공기 중에서 이송 및 보관하는 과정에서 수분을 흡수하여 수분함량이 8∼10%까지 증가될 수 있으므로, 저온 분쇄 단계에 투입되는 식물체 분말의 수분 함량은 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 다만, 1차 저온 분쇄 단계에 도입되는 식물체가 너무 많은 수분을 함유하면, 공정 시간 및 에너지가 많이 소요되고 중합체와의 결합에 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 범위의 수분 함량을 갖도록 건조하는 것이 바람직하다. In the present invention, the non-edible plant may be pulverized to have a particle size of 100 to 200 mesh and a moisture content of 5 to 6% and introduced into the first low-temperature pulverization step (step 1) of the present invention. Even if plants are pulverized and dried to a moisture content lower than 5 to 6%, the moisture content can be increased to 8 to 10% by absorbing moisture in the process of transporting and storing in the air. The moisture content of can be selected from a wide range. However, if the plant body introduced in the first low-temperature pulverization step contains too much moisture, it takes a lot of processing time and energy and may cause problems in binding with the polymer, so it is preferable to dry it to have a moisture content within the above range. .
2. 중합체2. Polymer
본 발명에 있어서, 중합체는 일반적인 의미로 사용되는 중합체 또는 고분자 화합물을 의미하며, 비닐, 필름, 쉬트, 용기, 포장재, 사출품, 압출품 등의 형태와 상관없이 생활용, 공업용, 농업용 및 어업용으로 사용되는 중합체 또는 고분자 화합물일 수 있다. In the present invention, polymer refers to a polymer or polymer compound used in a general sense, and is used for daily life, industrial use, agriculture and fishing regardless of the shape of vinyl, film, sheet, container, packaging material, injection product, extruded product, etc. It may be a polymer or a high molecular compound.
본 발명에서 사용할 수 있는 중합체로는 예를 들면 올레핀계 중합체, 비닐계 중합체, 아미드계 중합체, 에스테르계 중합체, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물, 이들의 변성물 및 이들의 합금을 언급할 수 있으며, 구체적으로는, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아세틸렌(PAc), 폴리이소부틸렌 등의 올레핀계 중합체; 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐플루오라이드(PVF), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴아미드(PAAm), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리아크릴레이트 등의 비닐계 중합체; 나일론-6,6, 폴리카프로락탐(나일론-6) 등의 아미드계 중합체; 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등의 에스테르계 중합체, 이들의 혼합물, 이들의 공중합체, 이들의 변성물, 이들의 합금 등을 언급할 수 있다. 바람직하게는, 열가소성 중합체, 예를 들면 스티렌계, PVC계, 올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 우레탄계 중합체를 언급할 수 있다. As the polymer that can be used in the present invention, for example, olefin-based polymers, vinyl-based polymers, amide-based polymers, ester-based polymers, copolymers thereof, mixtures thereof, modified products thereof, and alloys thereof may be mentioned. , Specifically, olefin-based polymers such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacetylene (PAc), and polyisobutylene; Polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl fluoride (PVF), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyacrylamide (PAAm), polyacrylonitrile (PAN), Vinyl polymers such as polystyrene (PS), polyvinylpyrrolidone (PVP), and polyacrylate; Amide polymers such as nylon-6,6 and polycaprolactam (nylon-6); Ester polymers such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), mixtures thereof, copolymers thereof, modified products thereof, alloys thereof, and the like may be mentioned. Preferably, thermoplastic polymers such as styrene-based, PVC-based, olefin-based, polyester-based, polyamide-based, and urethane-based polymers can be mentioned.
기타 언급되지 않은 중합체들도 친환경 바이오-베이스 플라스틱을 제조할 수 있다면 본 발명에 따른 방법에 적용될 수 있고, 본 발명의 범주에 속할 수 있음은 당연하다. It is natural that other polymers not mentioned can be applied to the method according to the present invention and fall within the scope of the present invention, provided that eco-friendly bio-based plastics can be produced.
3. 결합제3. Binder
본 발명에 있어서, 결합제는 비식용계 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물을 물리 및/또는 화학적으로 결합 또는 연결시킴으로써 복합체를 형성할 수 있게 해주는 물질을 의미하며, 예를 들면 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제 및 지르코늄계 커플링제로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 이러한 결합제는 비식용계 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물의 합계 100중량부에 대해 0.5∼6중량부, 바람직하게는 1∼5중량부의 양으로 사용될 수 있다. In the present invention, the binder refers to a material that enables to form a complex by physically and/or chemically bonding or linking a non-edible plant and a polymer or a polymer compound, for example, a silane-based coupling agent, a titanium-based coupling agent And it may be selected from the group consisting of a zirconium-based coupling agent. Such a binder may be used in an amount of 0.5 to 6 parts by weight, preferably 1 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total of the non-edible plant and the polymer or polymer compound.
4. 첨가제4. Additive
본 발명에 따른 바이오플라스틱는 칼슘 스테아레이트와 같은 윤활제, 산화아연과 같은 항균제, 전분 또는 변성 전분, PE 왁스와 같은 코팅제, 탈크와 같은 충전제 등의 첨가제를 필요에 따라 더 포함할 수 있다.The bioplastic according to the present invention may further include additives such as a lubricant such as calcium stearate, an antimicrobial agent such as zinc oxide, a starch or modified starch, a coating agent such as PE wax, and a filler such as talc, if necessary.
상기 윤활제는 표면 히드록실기로 인해 친수성을 띄는 식물체 분말이 소수성을 나타내는 중합체 또는 고분자 화합물 내로 혼합되는 것을 보조해주는 물질이며, 하나의 화합물 내에 소수성 부분(예. 알킬 사슬)과 친수성 부분(예. 아민염, 황산연, 술폰산염, 카르복실산염과 같은 염)을 함께 갖는 화합물의 형태를 가질 수 있다.The lubricant is a material that assists mixing of the hydrophilic plant powder due to the surface hydroxyl groups into the hydrophobic polymer or polymer compound, and the hydrophobic part (eg alkyl chain) and the hydrophilic part (eg amine) in one compound. Salts, salts such as lead sulfate, sulfonate, and carboxylate) together.
소수성 부분(예. 알킬 사슬)과 친수성 부분(예. 염)을 함께 갖는 화합물로서 장쇄 지방산염, 예를 들면 스테아레이트 화합물, 구체적으로 칼슘 스테아레이트, 징크 스테아레이트 등을 언급할 수 있다. 이러한 윤활제는, 엄밀히 한정되지 않지만, 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물의 합계 100중량부를 기준으로 0.5∼5중량부, 바람직하게는 1∼3중량부, 더욱 바람직하게는 1.5∼2.5중량부의 양으로 사용될 수 있다. As a compound having both a hydrophobic moiety (eg alkyl chain) and a hydrophilic moiety (eg salt), there may be mentioned long-chain fatty acid salts such as stearate compounds, specifically calcium stearate and zinc stearate. Such a lubricant is not strictly limited, but may be used in an amount of 0.5 to 5 parts by weight, preferably 1 to 3 parts by weight, more preferably 1.5 to 2.5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total of the plant and the polymer or polymer compound. have.
항균제는 바이오플라스틱에 항균 기능성을 부여하는 물질로서, 예를 들면 산화아연 등을 언급할 수 있다. 이러한 항균제는, 엄밀히 한정되지 않지만, 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물의 합계량 100중량부를 기준으로 0.5∼5중량부, 바람직하게는 1∼3중량부, 더욱 바람직하게는 1.5∼2.5중량부의 양으로 사용될 수 있다. The antibacterial agent is a substance that imparts antibacterial function to the bioplastic, and, for example, zinc oxide or the like may be mentioned. These antibacterial agents are not strictly limited, but may be used in an amount of 0.5 to 5 parts by weight, preferably 1 to 3 parts by weight, more preferably 1.5 to 2.5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total amount of the plant and the polymer or polymer compound. have.
전분 또는 변성 전분은 비식용계 식물체 분말과 중합체 분말의 혼합을 보조하기 위해 첨가된다. 전분 또는 변성 전분은 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물의 합계량 100중량부를 기준으로 1 내지 15중량부 이하, 바람직하게는 5 내지 12중량부, 더욱 바람직하게는 7 내지 10중량부의 양으로 사용될 수 있다. 상기 범위보다 과량으로 투입되면 바이오매스와 중합체 매트릭스가 너무 단단하게 혼합되어 원료 이동이 어렵고 너무 적게 투입되면 비식용계 식물체 분말과 중합체 매트릭스 사이의 혼합 보조 효과가 잘 나타나지 않는다. Starch or modified starch is added to aid in mixing the non-edible plant powder and the polymer powder. Starch or modified starch may be used in an amount of 1 to 15 parts by weight or less, preferably 5 to 12 parts by weight, and more preferably 7 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the plant and the polymer or polymer compound. If the amount is added in excess than the above range, the biomass and the polymer matrix are mixed too tightly, making it difficult to move the raw material, and if too little is added, the mixing auxiliary effect between the non-edible plant powder and the polymer matrix does not appear well.
왁스와 같은 코팅제는 식물체 분말과 중합체 분말을 코팅하여 이들의 물리적 혼합을 원활하게 하면서 식물체 분말의 과도한 수분 흡수를 방지하기 위해 첨가된다. 이러한 왁스로는 PE 왁스가 주로 사용되는데, 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물의 합계량 100중량부를 기준으로 0.5∼5중량부, 바람직하게는 1∼3중량부, 더욱 바람직하게는 1.5∼2.5중량부의 양으로 사용될 수 있다. A coating agent such as a wax is added to coat the plant powder and the polymer powder to facilitate physical mixing thereof and prevent excessive moisture absorption of the plant powder. PE wax is mainly used as such a wax, in an amount of 0.5 to 5 parts by weight, preferably 1 to 3 parts by weight, more preferably 1.5 to 2.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the plant and the polymer or polymer compound. Can be used.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 탈크와 같은 충전제를 식물체와 중합체 또는 고분자 화합물의 합계량 100중량부를 기준으로 5∼15중량부의 양으로 더 첨가할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a filler such as talc may be further added in an amount of 5 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the plant and the polymer or polymer compound.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 비식용계 식물체 15∼40중량부, 전분 또는 변성 전분 1∼10중량부, 중합체 45∼75중량부, 결합제 1∼2중량부 및 잔여량의 첨가제를 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, 15 to 40 parts by weight of non-edible plants, 1 to 10 parts by weight of starch or modified starch, 45 to 75 parts by weight of a polymer, 1 to 2 parts by weight of a binder, and a residual amount of additives may be used.
5. 1차 저온 분쇄 및 2차 냉결 분쇄5. 1st low temperature grinding and 2nd cold grinding grinding
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 분말 상태의 비식용계 식물체 및 분말 상태의 중합체를 결합제 및 첨가제와 함께 분쇄기에 도입하고, 80 내지 150℃의 온도에서 고속 회전 또는 고속 순환 방식으로 1차로 저온 분쇄하고(단계 1), 얻어진 혼합물을 -20 내지 -5℃의 온도로 급속 냉각하고 이 온도를 유지하면서 고속 회전 또는 고속 순환 방식으로 2차로 냉결 분쇄함으로써(단계 2), 분말 상태의 비식용계 식물체 및 분말 상태의 중합체가 결합되어 있는 복합체 분말을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, the present invention introduces a powdered non-edible plant and a powdered polymer together with a binder and an additive into a pulverizer, and firstly low temperature in a high-speed rotation or high-speed circulation method at a temperature of 80 to 150°C. Grinding (step 1), and rapidly cooling the obtained mixture to a temperature of -20 to -5°C, maintaining this temperature and secondly cold-freezing pulverization in a high-speed rotation or high-speed circulation method (step 2), and non-edible plants in powder form And it is possible to provide a composite powder in which the polymer in the powder state is bound.
5-1. 1차 저온 분쇄5-1. 1st low temperature grinding
본 발명에 따른 1차 저온 분쇄 단계(단계 1)는, 80 내지 150℃의 비교적 낮은 온도에서 통상적으로 사용되는 회전식 분쇄기, 충격식 분쇄기 또는 기류식 분쇄기를 사용하여 1000 내지 2500rpm, 바람직하게는 1500 내지 2000rpm, 더욱 바람직하게는 1600 내지 1800rpm의 속도에서 수행될 수 있다.The first low-temperature pulverization step (step 1) according to the present invention is 1000 to 2500 rpm, preferably 1500 to 1500 rpm, using a rotary pulverizer, impact pulverizer or air flow pulverizer commonly used at a relatively low temperature of 80 to 150°C. It can be carried out at a speed of 2000 rpm, more preferably 1600 to 1800 rpm.
회전식 분쇄기를 사용할 경우, 블레이드 또는 디스크를 상기 속도로 회전시켜 수행되며, 충격식 분쇄기를 사용할 경우, 분말 입자들을 상기 속도로 순환하여 충격판에 충돌시켜 수행되며, 기류식 분쇄기를 사용할 경우, 분말 입자들을 기류와 함께 상기 속도로 순환하여 벽에 부착된 블레이드에 충돌시킴으로써 수행된다. 따라서, 상기 속도는 회전식 분쇄기에서는 블레이드 등의 회전속도를 의미하고, 충격식 분쇄기에서는 충격판에의 충돌회수를 의미하고, 기류식 분쇄기에서는 기류의 순환속도를 의미할 수 있다.When using a rotary grinder, it is performed by rotating the blade or disk at the above speed, when using an impact grinder, the powder particles are circulated at the speed to collide with the impact plate, and when using an airflow grinder, the powder particles It is carried out by circulating them with airflow at this speed and colliding with the blades attached to the wall. Accordingly, the speed may mean a rotational speed of a blade or the like in a rotary grinder, a number of collisions against an impact plate in an impact grinder, and may mean a circulation speed of air flow in an airflow grinder.
회전 및 순환 속도가 상기 범위보다 낮으면 식물체 분말과 중합체 분말의 결합이 충분하지 않아 후속 냉결 건조 및 압출 단계에서 입자 분리가 발생할 우려가 있고, 회전 및 순환 속도가 상기 범위보다 높으면 입자가 파손되거나 과도한 발열이 발생할 우려가 있다. If the rotation and circulation speed is lower than the above range, the combination of the plant powder and the polymer powder may not be sufficient, and thus particle separation may occur in the subsequent cold drying and extrusion steps.If the rotation and circulation speed is higher than the above range, the particles may be damaged or excessive. There is a risk of heat generation.
본 발명에 따른 1차 저온 분쇄(단계 1)는, 일반적으로 80 내지 150℃의 온도 범위 내에서, 바람직하게는 100 내지 150℃의 온도 범위 내에서, 더욱 바람직하게는 중합체의 용융점 이하의 온도에서, 특별하게는 중합체의 열변형 온도보다 높으면서 연화점 부근의 온도에서 선택할 수 있다.The first low-temperature grinding according to the present invention (step 1) is generally within a temperature range of 80 to 150° C., preferably within a temperature range of 100 to 150° C., more preferably at a temperature below the melting point of the polymer. In particular, it can be selected at a temperature near the softening point while being higher than the heat deflection temperature of the polymer.
본 발명에 있어서, 상기 1차 저온 분쇄를 중합체의 열변형 온도보다 높으면서 중합체의 연화점 부근의 온도에서 수행함으로써 비식용계 식물체 분말과 중합체 분말의 기계적 결합력이 더욱 향상될 수 있다. In the present invention, by performing the first low-temperature pulverization at a temperature near the softening point of the polymer while being higher than the heat distortion temperature of the polymer, the mechanical bonding strength between the non-edible plant powder and the polymer powder can be further improved.
본 발명에 따른 1차 저온 분쇄를 충돌식 또는 회전식 분쇄기에서 고속 회전하거나 고속 순환시키는 방식으로 수행함으로써 얻을 수 있는 이점 중의 하나는, 중합체의 연화점이 상기 범위보다 높은 경우에도, 150℃까지의 높은 온도에서 고속 회전 또는 순환함으로써 식물체 분말과 중합체 분말이 물리적으로 결합 또는 응집될 수 있다는 점이다. One of the advantages that can be obtained by performing the first low-temperature pulverization according to the present invention in a manner of high-speed rotation or high-speed circulation in an impingement or rotary pulverizer is a high temperature of up to 150° C. The plant powder and polymer powder can be physically bonded or agglomerated by rotating or circulating at high speed.
중합체 종류에 따른 1차 저온 분쇄 온도를 설정하는 예로서, 폴리프로필렌(PP) 단중합체는 융점 165℃, 열변성온도 107∼135℃ 및 연화점(Vicat) 145∼155℃이므로 상기 범위 내에 속하는 연화점 부근의 온도에서 수행할 수 있고, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 융점 125∼130℃, 열변성온도 80∼90℃ 및 연화점(Vicat) 110∼128℃이므로 상기 범위 내에 속하는 연화점 부근의 온도에서 수행할 수 있으며, 또한, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 융점 100∼110℃, 열변성온도 40∼45℃ 및 연화점(Vicat) 74∼85℃이므로, 상기 범위 내에 속하면서 연화점과 융점 사이의 온도, 예를 들면 80∼90℃에서 수행할 수 있다. As an example of setting the primary low-temperature grinding temperature according to the type of polymer, polypropylene (PP) homopolymer has a melting point of 165°C, a heat denaturation temperature of 107-135°C, and a softening point (Vicat) of 145-155°C, so near the softening point within the above range. High-density polyethylene (HDPE) can be performed at a temperature near the softening point that falls within the above range since it has a melting point of 125 to 130°C, a heat denaturation temperature of 80 to 90°C, and a softening point (Vicat) of 110 to 128°C. In addition, since low-density polyethylene (LDPE) has a melting point of 100 to 110°C, a heat denaturation temperature of 40 to 45°C, and a softening point (Vicat) of 74 to 85°C, the temperature between the softening point and the melting point, for example, 80 to 90 It can be carried out at °C.
본 발명에 있어서, 1차 저온 분쇄 후에 비식용계 식물체 및 폴리프로필렌은 기계적으로 결합하거나 응집되어 입상 혼합물 형태로 얻어질 수 있다. 이들은 대략 100 내지 200미크론의 입도를 가지지만 입도 분포는 매우 넓어, 정확한 크기를 특정하기가 어렵다. 얻어진 입상 혼합물은 2차 냉결 분쇄 단계에서 그대로 사용될 수 있다. In the present invention, after the first low-temperature pulverization, non-edible plants and polypropylene may be mechanically bonded or agglomerated to obtain a granular mixture. They have a particle size of approximately 100 to 200 microns, but the particle size distribution is very wide, and it is difficult to specify an exact size. The obtained granular mixture can be used as it is in the secondary cold crushing step.
5-2. 2차 냉결 분쇄5-2. Secondary cold grinding
본 발명에 따른 2차 냉결 분쇄(단계 2)는 -20 ℃ 내지 0℃의 저온에서 1000 내지 2500rpm의 속도로, 일반적인 냉결분쇄기 또는 동결분쇄기를 사용하여 수행될 수 있다. Secondary cold grinding (step 2) according to the present invention may be performed at a low temperature of -20 °C to 0 °C at a speed of 1000 to 2500 rpm, using a general cold grinding machine or a freeze grinding machine.
본 기술 분야에서, 냉결분쇄 및 동결분쇄에는 액화 공기 또는 액화 질소 등의 초저온 냉매가 사용되나, 냉결분쇄는 -50 ℃ 내지 0℃의 저온에서, 동결분쇄는 -150 ℃ 내지 -50℃의 초저온에서 분쇄공정을 수행하는 것으로 나눌 수 있으며, 경우에 따라 냉결분쇄를 저온분쇄로 지칭하기도 한다. In the present technical field, cryogenic refrigerants such as liquefied air or liquefied nitrogen are used for cold pulverization and freeze pulverization, but cold crushing is performed at a low temperature of -50°C to 0°C, and freeze crushing is performed at a very low temperature of -150°C to -50°C. It can be divided into performing a grinding process, and in some cases, cold grinding is also referred to as low temperature grinding.
상기 냉결 분쇄기 또는 동결 분쇄기는 회전식, 충돌식 또는 기류식의 방식으로 분쇄를 수행할 수 있다. 냉결 분쇄에서 회전 및 순환 속도가 상기 범위보다 낮거나 높으면, 수분의 제거가 충분하지 않고, 식물체와 중합체의 그래프트(graft)화가 불충분하여 후속 압출 단계에서 성분 분리가 발생할 우려가 있다. The cold grinder or the freeze grinder may perform grinding in a rotary, impingement or airflow manner. If the rotation and circulation speed in cold crushing is lower or higher than the above range, the removal of moisture is insufficient, and grafting of the plant and the polymer is insufficient, and there is a concern that component separation may occur in the subsequent extrusion step.
본 발명에 따른 2차 냉결 분쇄 단계(단계 2)는, 일반적으로 -20 내지 0℃, 바람직하게는 -15 내지 -5℃의 온도 범위 내에서, 더욱 바람직하게는 -10℃ 부근의 온도에서, 1000 내지 2500rpm, 바람직하게는 1500 내지 2000rpm, 더욱 바람직하게는 1600 내지 1800rpm의 속도(회전속도 또는 순환속도)로 수행될 수 있다.The second cold crushing step (step 2) according to the present invention is generally within a temperature range of -20 to 0°C, preferably -15 to -5°C, more preferably at a temperature around -10°C, It may be performed at a speed (rotational speed or circulation speed) of 1000 to 2500 rpm, preferably 1500 to 2000 rpm, more preferably 1600 to 1800 rpm.
냉결 온도가 상기 범위보다 낮으면 고속 회전 또는 순환에 의해서도 입자들의 응집 또는 결합이 지연되며, 상기 범위보다 높으면 냉결 분쇄 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다. If the cooling temperature is lower than the above range, aggregation or binding of particles is delayed even by high-speed rotation or circulation, and if it is higher than the above range, the cooling crushing effect cannot be sufficiently obtained.
본 발명에 있어서, 상기 2차 냉결 분쇄 후에, 비식용계 식물체, 임의의 전분 및 중합체 등의 원료들은 기계적 결합 및 그래프트화에 의해 복합화되어 분말 형태의 복합체로 얻어진다.In the present invention, after the secondary cold crushing, raw materials such as non-edible plants, optional starches, and polymers are composited by mechanical bonding and grafting to obtain a powdery composite.
복합체의 입도는 엄밀하게 한정되지 않지만, 일반적으로 100 내지 300메쉬, 바람직하게는 150 내지 250메쉬, 더욱 바람직하게는 대략 200메쉬를 갖도록 조정될 수 있다.The particle size of the composite is not strictly limited, but may be adjusted to have generally 100 to 300 mesh, preferably 150 to 250 mesh, more preferably approximately 200 mesh.
본 발명의 이점 중의 하나는, 상기 2차 냉결 분쇄된 분말은 수분 함량이 충분히 낮아서 별도의 추가 건조 공정을 거치지 않아도 된다는 점으로서, 상기 수분 함량은 일반적으로 3중량% 이하, 바람직하게는 1중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.3중량% 부근일 수 있다. One of the advantages of the present invention is that the secondary cold pulverized powder has a sufficiently low moisture content and thus does not require a separate additional drying process, and the moisture content is generally 3% by weight or less, preferably 1% by weight. Hereinafter, it may be more preferably around 0.3% by weight.
6. 압출 및 압출장치6. Extrusion and extrusion equipment
본 발명에 따른 압출 단계에서, 상기 2차 냉결 분쇄된 분말을 길이-직경비(LD비)가 60 이상인 이축압출기에 공급하고 130∼170℃에서 압출할 수 있다. In the extrusion step according to the present invention, the second cold-crushed powder may be supplied to a twin screw extruder having a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more and extruded at 130 to 170°C.
본 발명에 있어서, 2차 냉결 분쇄된 분말은 호퍼를 거쳐서 공급기를 통해 압출기 내로 투입될 수 있는데, 단일 스크류 공급기 또는 이중 스크류 공급기 등을 사용하여 일정한 속도로 압출기 내로 공급하는 것이 바람직하다. 공급 속도가 일정하지 않으면, 즉 정량 공급되지 않으면, 압출기 내에서 압출물의 온도가 이동 속도에 따라 변동하여 온도 제어가 어려워지고, 출구에서 스트랜드(strand)의 굵기가 일정하지 않거나 끊어지는 현상의 원인이 될 수 있다. In the present invention, the secondary cold-crushed powder may be introduced into the extruder through a feeder through a hopper, and it is preferable to supply into the extruder at a constant speed using a single screw feeder or a double screw feeder. If the feed rate is not constant, that is, if it is not supplied in a fixed amount, the temperature of the extrudate in the extruder fluctuates according to the moving speed, making it difficult to control the temperature, and the cause of the phenomenon that the thickness of the strand is not constant or broken at the outlet. Can be.
본 발명에서 사용되는 이축압출기(Twin Screw Extruder)는 길이-직경비(LD비)가 60 이상, 바람직하게는 65 이상, 더욱 바람직하게는 70 이상일 수 있다. The twin screw extruder used in the present invention may have a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more, preferably 65 or more, and more preferably 70 or more.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이축 압출기의 길이-직경비(LD비)는 60 내지 120, 바람직하게는 65 내지 100, 더욱 바람직하게는 70 내지 90에서 선택될 수 있다. 상기 길이-직경비가 상기 범위보다 적으면 바이오플라스틱의 복합화 및 압출을 위해 압출 온도를 올려야 하고 이에 의해 탄화가 발생할 가능성이 높아지며, 상기 범위보다 높으면 압출 공정에 요구되는 시간 및 에너지가 과도하게 소모되어 경제적으로 불리하게 된다는 문제가 있다. According to an embodiment of the present invention, the length-diameter ratio (LD ratio) of the twin-screw extruder may be selected from 60 to 120, preferably 65 to 100, more preferably 70 to 90. If the length-diameter ratio is less than the above range, the extrusion temperature must be raised for the compounding and extrusion of bioplastics, thereby increasing the likelihood of carbonization, and if it is higher than the above range, the time and energy required for the extrusion process are excessively consumed and economical. There is a problem that it becomes disadvantageous.
일반적으로, 종래의 바이오플라스틱의 제조 방법은 보통 50 이하, 일반적으로는 48의 길이-직경비를 갖는 이축압출기를 사용하고 180 내지 230℃의 온도에서 압출 공정을 수행함으로써, 압출 과정에서 식물체의 탄화를 방지하는 것이 어려웠다. 그러나, 본 발명에서는 길이-직경비(LD비)가 60 내지 120, 바람직하게는 65 내지 100, 더욱 바람직하게는 70 내지 90, 특별하게는 72 부근에서 선택되는 이축압출기를 사용함으로써, 130∼170℃의 비교적 낮은 온도에서 압출을 수행할 수 있었고, 이에 의해 식물체의 탄화를 방지할 수 있다. In general, the conventional bioplastic production method uses a twin-screw extruder having a length-diameter ratio of usually 50 or less, and generally 48, and performs an extrusion process at a temperature of 180 to 230°C, thereby carbonizing plants in the extrusion process. It was difficult to prevent. However, in the present invention, the length-diameter ratio (LD ratio) is 60 to 120, preferably 65 to 100, more preferably 70 to 90, and particularly, by using a twin screw extruder selected around 72, 130 to 170 Extrusion could be carried out at a relatively low temperature of °C, thereby preventing carbonization of the plant.
본 발명에 따른 이축압출기는 60 이상의 길이-직경비(LD비)를 가짐으로써, 종래 압출기가 8∼9 구역의 온도 제어 구간 또는 온도 감지 구간을 갖도록 설정되는 것에 비하여, 온도 제어 구간 또는 온도 감지 구간을 10 구역 이상, 바람직하게는 11 구역 이상, 더욱 바람직하게는 12 구역 이상으로 설정할 수 있고, 이에 의해 압출 온도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. The twin-screw extruder according to the present invention has a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more, compared to a conventional extruder set to have a temperature control section or a temperature sensing section of 8 to 9 zones, a temperature control section or a temperature sensing section Can be set to 10 zones or more, preferably 11 zones or more, more preferably 12 zones or more, whereby the extrusion temperature can be more precisely controlled.
본 발명에 따른 이축압출기는 온도 제어를 위해 냉각 장치를 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들면 냉매순환을 통한 냉각장치를 언급할 수 있다. The twin screw extruder according to the present invention may further include a cooling device for temperature control, and for example, a cooling device through refrigerant circulation may be mentioned.
본 발명에 따른 이축압출기는 압출기 내부에서 발생하는 수증기를 제거 또는 배출하기 위하여 다이에 복수개의 배기공을 가질 수 있다. 이러한 배기공을 통해 감압진공을 부여함으로써 압출 도중에 발생하는 수증기를 제거할 수 있으며, 이에 의해, 바이오플라스틱에 생성되는 기포를 저감할 수 있고, 후속 사출 과정에서도 식품 포장 용기와 같은 사출물에 생성되는 기포를 방지할 수 있다. 압출 전에 수분을 충분히 제거하여도, 원료의 보관 및 이송 도중에 공기 중의 수분이 흡수되기 때문에, 압출 도중에 수분을 제거하는 것은 중요하다. The twin screw extruder according to the present invention may have a plurality of exhaust holes in the die to remove or discharge water vapor generated inside the extruder. Water vapor generated during extrusion can be removed by providing a reduced pressure vacuum through such an exhaust hole, thereby reducing bubbles generated in bioplastics, and bubbles generated in injection products such as food packaging containers in subsequent injection processes. Can be prevented. Even if moisture is sufficiently removed before extrusion, it is important to remove moisture during extrusion because moisture in the air is absorbed during storage and transport of the raw material.
본 발명에 있어서, 압출기 내의 압출물은 다이스를 통해 적절한 굵기로, 예를 들면 1∼3mm, 바람직하게는 1.5∼2.5mm로 원형 또는 각형으로 배출된다. 이때, 다이스의 온도를 압출 온도보다 30∼80℃높게 설정할 수 있다. 이는 다이스를 통과하는 스트랜드에 순간적으로 고온을 가함으로써, 스트랜드의 표면을 매끄럽게 해준다. In the present invention, the extrudate in the extruder is discharged through a die in a suitable thickness, for example 1 to 3 mm, preferably 1.5 to 2.5 mm, in a circular or square shape. At this time, the temperature of the die may be set higher than the extrusion temperature by 30 to 80°C. This instantaneously applies a high temperature to the strand passing through the die, thereby smoothing the surface of the strand.
다이스에서 배출되는 스트랜드는 일반적인 압출에서와 유사하게 공냉식 또는 수냉식으로 냉각하고 적절한 길이, 예를 들면 2∼5mm로 절단하여 마스터배치를 제조할 수 있다. 얻어진 마스터배치는 밀폐 용기 내에 저장하는 것이 바람직하다. The strand discharged from the die can be cooled by air-cooling or water-cooling, similar to that in general extrusion, and cut into suitable lengths, for example 2 to 5 mm, to prepare a masterbatch. The obtained masterbatch is preferably stored in a closed container.
도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 압출기 장비의 구성을 보여주는 모식도이고, 도 5는 본 발명에서 사용될 수 있는 압출기의 호퍼, 니더, 다이 등의 구성을 보여주는 모식도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of the extruder equipment that can be used in the present invention, Figure 5 is a schematic diagram showing the configuration of the hopper, kneader, die, etc. of the extruder that can be used in the present invention.
7. 마스터배치 및 이를 사용한 필름, 쉬트 또는 용기의 제조7. Manufacture of master batch and film, sheet or container using the same
본 발명에 따른 압출 단계에서 얻어진 바이오플라스틱는 그 자체로 압출 또는 사출 등에 의해 필름, 쉬트 또는 용기의 형태로 제조될 수 있다. The bioplastic obtained in the extrusion step according to the present invention may itself be produced in the form of a film, sheet or container by extrusion or injection.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오플라스틱를 마스터배치로 사용하여 다른 비식용계 식물체를 함유하는 마스터배치 또는 비식용계 식물체를 함유하지 않는 중합체와 혼합하여 원하는 제품으로 제조할 수 있는데, 예를 들면, 압출 또는 사출 등에 의해, 필름, 쉬트 또는 용기의 형태로 제조될 수 있다. 이들은 식품 포장재 또는 식품 포장 용기, 바람직하게는 식품 포장 용기로 사용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the bioplastic can be used as a master batch and mixed with a master batch containing other non-edible plants or a polymer not containing non-edible plants to produce a desired product, for example, It may be produced in the form of a film, sheet, or container by extrusion or injection. They can be used as food packaging materials or food packaging containers, preferably food packaging containers.
비식용계 식물체 바이오플라스틱는 이의 제조에 사용된 식물체 또는 식물체 혼합물의 특성에 따라 각각 독특한 물성을 가질 수 있다. 예를 들면, 왕겨-함유 바이오플라스틱은 높은 압축강도를, 옥피-함유 바이오플라스틱과 대두피-함유 바이오플라스틱는 중간 압축강도를, 소맥피-함유 바이오플라스틱는 가장 약한 압축강도를 가지고 있다.Non-edible plant bioplastics may each have unique physical properties depending on the characteristics of the plant or plant mixture used in its production. For example, rice husk-containing bioplastics have high compressive strength, oxpi-containing bioplastics and soybean husk-containing bioplastics have medium compressive strength, and wheat skin-containing bioplastics have the weakest compressive strength.
반면에 소맥피-함유 바이오플라스틱의 경우 굽힘강도가 매우 좋으며 표면의 매끄러움이 좋다.On the other hand, in the case of wheat blood-containing bioplastic, the bending strength is very good and the surface smoothness is good.
본 발명에 있어서, 바이오플라스틱으로부터 필름, 쉬트 및 용기를 포함한 다른 제품을 제조하는 방법, 예를 들어 사출 또는 압출하는 방법 및 공정 조건은 특별히 한정되지 않으며, 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법 및 조건에 따라 수행될 수 있다. In the present invention, a method of manufacturing other products, including films, sheets, and containers, from bioplastics, for example, injection or extrusion methods and process conditions are not particularly limited, and methods and conditions commonly used in the art Can be performed according to.
본 발명에 따라 제조된 필름, 쉬트 및 용기 등의 최종 제품은, 비식용계 식물체를 포함하는 바이오플라스틱만을 사용하여 제조된 경우에는 총 바이오매스 함량은 대략 20 내지 50중량%에 달할 수 있고, 식물체를 포함하지 않는 중합체를 적절히 혼합하여 제조하는 경우에는, 10 내지 30중량%의 총 바이오매스 함량을 가지도록 상기 혼합비를 적절히 조절하는 것이 바람직하다. When the final products such as films, sheets, and containers manufactured according to the present invention are manufactured using only bioplastics containing non-edible plants, the total biomass content may reach approximately 20 to 50% by weight, and In the case of producing by properly mixing a polymer that does not contain, it is preferable to appropriately adjust the mixing ratio so as to have a total biomass content of 10 to 30% by weight.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by the following examples. The following examples can be appropriately modified and changed by those skilled in the art within the scope of the present invention.
실시예 Example
실시예 1: 왕겨를 사용한 바이오플라스틱 제조Example 1: Preparation of bioplastic using rice husk
비식용계 식물체인 왕겨 분말을 분쇄기(모델: KH-1000; 제조사: ㈜한국분체기계)에 도입하고 입도 200㎛로 분쇄하였다. Rice husk powder, which is a non-edible plant, was introduced into a grinder (model: KH-1000; manufacturer: Korea Powder Machine Co., Ltd.) and pulverized to a particle size of 200 μm.
왕겨 분말 100 중량부, 전분30 중량부, 폴리프로필렌 200 중량부, 칼슘스테아레이트 3 중량부, PE-Wax 3 중량부를 블레이드 분쇄기(모델:KH-1000 ; 제조사: ㈜한국분체기계)에 도입하고 130∼135℃의 온도에서 1500∼2000rpm의 회전 속도로 30분 동안 1차 분쇄하였다. Rice husk powder 100 parts by weight, starch 30 parts by weight, polypropylene 200 parts by weight, calcium stearate 3 parts by weight, PE-Wax 3 parts by weight was introduced into a blade grinder (model: KH-1000; manufacturer: Korea Powder Machinery Co., Ltd.) and 130 It was first pulverized for 30 minutes at a temperature of -135°C at a rotation speed of 1500-2000 rpm.
상기 1차 분쇄 분말을, 원료 냉각부, 공급부, 분쇄부, 제품 포집부, 냉열(잡열) 회수부, 냉매 공급부, 제어부 등으로 구성된 초미분 저온분쇄기(모델명: HKP-30, 제조사: 한국에너지기술)에 투입하고 -10℃로 냉각한 다음 1500∼2000rpm으로 30분 동안 고속 교반하였다. The first pulverized powder is an ultra-fine low-temperature grinder composed of a raw material cooling unit, a supply unit, a pulverization unit, a product collection unit, a cold heat (miscellaneous heat) recovery unit, a refrigerant supply unit, and a control unit (model name: HKP-30, manufacturer: Korea Energy Technology). ), cooled to -10°C, and stirred at high speed for 30 minutes at 1500-2000 rpm.
얻어진 2차 분쇄 분말은, 단일 스크류 공급기를 사용하여 일정한 속도로, LD비 72 및 온도구역 11개를 갖도록 제조된 압출기(모델: YS-120Φx1800L; 제조사: 유성산업사)로 공급하였다. 압출 온도는 140℃를 초과하지 않도록 조절하였으며, 최종 구역 및 다이스에서는 160℃까지 상승을 허용하였다. 압출 도중에 발생하는 수증기는 다이에 설치된 다수의 배기공을 통해 감압 하에 배출하였다.The obtained secondary pulverized powder was supplied to an extruder (model: YS-120Φx1800L; manufacturer: Yuseong) manufactured to have an LD ratio of 72 and 11 temperature zones at a constant speed using a single screw feeder. The extrusion temperature was controlled so as not to exceed 140° C., and a rise to 160° C. was allowed in the final zone and dies. Water vapor generated during extrusion was discharged under reduced pressure through a number of exhaust holes installed in the die.
압출기에서 배출되는 스트랜드를 공냉식으로 냉각하고, 냉각된 스트랜드는 커팅기를 이용하여 길이 2∼3mm로 커팅하여 마스터배치 칩 형태로 바이오플라스틱을 제조하였다. 이때, 커팅기에서 스트랜드 배출 속도에 따라 스트랜드가 끊어지지 않도록 당기는 힘을 적절히 조절하면서 스트랜드를 2∼4mm의 길이로 절단하였다. The strand discharged from the extruder was cooled by air cooling, and the cooled strand was cut into a length of 2 to 3 mm using a cutting machine to manufacture bioplastics in the form of masterbatch chips. At this time, the strand was cut into a length of 2 to 4 mm while appropriately controlling the pulling force so that the strand does not break according to the strand discharge speed in the cutting machine.
마스터배치 칩 형태로 얻어진 바이오플라스틱에서 바이오매스 함량은 대략 38%(중량기준)였다. In the bioplastic obtained in the form of a masterbatch chip, the biomass content was approximately 38% (by weight).
비교예 1 및 2Comparative Examples 1 and 2
압출 온도를 실시예 1보다 높거나 낮게 설정하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 진행하여, 바이오플라스틱을 마스터배치 칩 형태로 제조하였다. Except for setting the extrusion temperature higher or lower than that of Example 1, the same procedure as in Example 1 was carried out to prepare a bioplastic in the form of a masterbatch chip.
상기 실시예 1 및 비교예 1 및 2에서 수행된 압출 과정에서, 압출기 내에 12개로 설정된 온도 구역에서 평균 온도를 각각 측정하였으며, 이를 하기 표 1에 기재하였다. In the extrusion process performed in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the average temperature was measured in each of the temperature zones set to 12 in the extruder, which are shown in Table 1 below.
(℃)(℃)
(℃)(℃)
(℃)(℃)
표 1에서 볼 수 있듯이, 비식용계 식물체로서 왕겨 분말을 사용한 바이오플라스틱의 제조에 있어서, 압출기 내부의 온도를 130℃ 이상으로 유지하면서 170℃를 초과하지 않도록 제어하는 것이 탄화 방지 및 스트랜드 끊김 방지에 가장 중요하였다. As can be seen in Table 1, in the production of bioplastics using rice husk powder as non-edible plants, controlling the temperature inside the extruder to not exceed 170°C while maintaining the temperature above 130°C is the most effective in preventing carbonization and preventing strand breakage. It was important.
실시예 1에서 압출기 내부의 온도는 전반적으로 130 내지 160℃ 사이에서 제어되었다. 이렇게 제어된 온도에서 제조된 바이오플라스틱 스트랜드에서는 왕겨가 탄화된 현상이 관찰되지 않았고 스트랜드는 끊김이 없이 연속적으로 배출되었다. In Example 1, the temperature inside the extruder was generally controlled between 130 and 160°C. In the bioplastic strands prepared at the controlled temperature, carbonization of rice husk was not observed, and the strands were continuously discharged without interruption.
비교예 1에서는 압출기 내부의 온도가 전반적으로 170℃에서 유지되었지만 일부 구간에서는 이를 초과하여 180℃까지 도달하였다. 이렇게 제조된 바이오플라스틱에서는 식물체 왕겨가 탄화된 현상 뿐만 아니라 스트랜드가 끊어지는 현상이 발생한 것이 확인되었다. In Comparative Example 1, the temperature inside the extruder was generally maintained at 170°C, but in some sections it reached 180°C beyond this. In the bioplastic thus prepared, it was confirmed that not only the carbonization of plant rice husks, but also the strand breakage occurred.
비교예 2에서는 압출기 온도가 전반적으로 일부 구간에서 130℃이하로 저하되었다. 압출 온도가 낮으면 원료 사이에 그래프트 결합 및 복합화가 제대로 이루어지지 않아, 스트랜드에 층이 생기는 현상이 관찰되었다. In Comparative Example 2, the temperature of the extruder was generally lowered to 130°C or less in some sections. When the extrusion temperature was low, graft bonding and complexing between the raw materials were not performed properly, and a phenomenon in which a layer was formed on the strand was observed.
실시예 2: 소맥피를 사용한 바이오플라스틱 제조Example 2: Preparation of bioplastic using wheat blood
소맥피 100중량부에 대하여 폴리프로필렌 400 중량부 및 전분 60중량부, 칼슘 스테아레이트 3중량부, PE-Wax 3중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일하게 진행하였다. 얻어진 마스터배치에서의 바이오매스 함량은 대략 28%(중량기준)였다. The same procedure as in Example 1 was performed except that 400 parts by weight of polypropylene and 60 parts by weight of starch, 3 parts by weight of calcium stearate, and 3 parts by weight of PE-Wax were used based on 100 parts by weight of wheat skin. The biomass content in the obtained masterbatch was approximately 28% (based on weight).
비교예 3Comparative Example 3
압출 온도를 실시예 2보다 높게 설정하는 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 진행하여, 바이오플라스틱을 마스터배치 칩 형태로 제조하였다.In the same manner as in Example 2, except that the extrusion temperature was set higher than in Example 2, a bioplastic was manufactured in the form of a masterbatch chip.
상기 실시예 2 및 비교예 3에서 수행된 압출 과정에서, 압출기 내에 12개로 설정된 온도 구역에서 평균 온도를 각각 측정하였으며, 이를 하기 표 2에 기재하였다. In the extrusion process performed in Example 2 and Comparative Example 3, the average temperature was measured in each of the temperature zones set to 12 in the extruder, and these are shown in Table 2 below.
(℃)(℃)
(℃)(℃)
상기 표 2에서 볼 수 있듯이, 소맥피 분말을 사용한 경우, 압출 온도가 비교적 낮은 경우에도 탄화 현상이 발생하는 것이 관찰되었다. As can be seen in Table 2, when using wheat bark powder, it was observed that carbonization occurs even when the extrusion temperature is relatively low.
실시예 2에서 압출기 내부의 온도는 전반적으로 대략 120∼140℃로 유지되었는데, 이렇게 제조된 바이오플라스틱에서는 왕겨가 탄화된 현상이 관찰되지 않았고 스트랜드는 끊김이 없이 연속적으로 배출되었다. In Example 2, the temperature inside the extruder was generally maintained at about 120 to 140°C, but carbonization of rice husk was not observed in the bioplastic thus produced, and the strands were continuously discharged without interruption.
비교예 3에서 압출기 내부의 온도는 전반적으로 145∼155℃로 유지되었지만 일부 구간에서 이를 초과하는 경우도 발생하였다. 이렇게 제조된 바이오플라스틱에서는 타는 냄새가 발생하였으며, 이는 탄화가 발생하였음을 의미한다. In Comparative Example 3, the temperature inside the extruder was generally maintained at 145 to 155°C, but there was a case that exceeded this in some sections. In the bioplastic thus produced, a burning odor occurred, which means that carbonization occurred.
실시예 3 : 옥피를 사용한 바이오플라스틱 제조Example 3: Preparation of bioplastic using Okpi
옥피를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일하게 진행하여, 바이오플라스틱을 마스터배치 칩 형태로 제조하였다. 얻어진 마스터배치에서의 바이오매스 함량은 대략 38%(중량기준)였다. In the same manner as in Example 1 except for the use of okpi, a bioplastic was prepared in the form of a masterbatch chip. The biomass content in the obtained masterbatch was approximately 38% (based on weight).
비교예 4Comparative Example 4
압출 온도를 실시예 3보다 높게 설정하는 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일하게 진행하여, 바이오플라스틱을 마스터배치 칩 형태로 제조하였다.In the same manner as in Example 3, except that the extrusion temperature was set higher than in Example 3, a bioplastic was prepared in the form of a masterbatch chip.
지금까지 본 발명에 따른 바이오플라스틱의 제조 방법, 이에 의해 제조된 바이오플라스틱 및 이를 사용한 필름, 쉬트 또는 용기에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.Until now, specific examples of the method for producing a bioplastic according to the present invention, a bioplastic manufactured thereby, and a film, sheet, or container using the same have been described, but various implementation modifications within the limit not departing from the scope of the present invention This possibility is self-evident.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by the claims and equivalents as well as the claims to be described later.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.That is, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all respects and not limiting, and the scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (10)
(단계 2) 1차 저온 분쇄된 분말을 -20 내지 0℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 냉결 분쇄 단계; 및
(단계 3) 2차 냉결 분쇄된 분말을 길이-직경비(LD비) 60 이상의 이축압출기에 일정한 속도로 공급하고, 130 내지 170℃의 온도에서 발생되는 수증기를 감압 하에 배출하면서 압출하는 압출 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 제조 방법으로서,
상기 단계 1에서, 비식용계 식물체는 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되어 분쇄 및 건조된 것임을 특징으로 하는, 바이오플라스틱의 제조 방법.
(Step 1) a low temperature grinding step of grinding non-edible plants, polymers, binders and additives at a high speed of 1000 to 2500 rpm at a temperature of 80 to 150°C;
(Step 2) a cold crushing step of pulverizing the first low-temperature pulverized powder at a high speed of 1000 to 2500 rpm at a temperature of -20 to 0°C; And
(Step 3) an extrusion step of supplying the secondary cold-crushed powder to a twin-screw extruder having a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more at a constant rate, and extruding while discharging water vapor generated at a temperature of 130 to 170°C under reduced pressure; As a method for producing a bioplastic comprising a,
In step 1, the non-edible plant is rice husk. Soybean skin, wheat skin, jade skin, rice paddy, wheat stick, reed. Wormwood. bamboo. Wood flour. A method for producing a bioplastic, characterized in that it is selected from the group consisting of coffee meal, soybean meal, and mixtures thereof, and pulverized and dried.
상기 비식용계 식물체는 왕겨. 소맥피 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The non-edible plant is rice husk. It characterized in that it is selected from the group consisting of wheat blood and mixtures thereof,
Method for producing bioplastics.
상기 중합체는 올레핀계 중합체; 비닐계 중합체; 아미드계 중합체; 에스테르계 중합체, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물, 이들의 변성물 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The polymer is an olefin-based polymer; Vinyl polymer; Amide polymer; Characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of ester-based polymers, copolymers thereof, mixtures thereof, modified products thereof, and alloys thereof,
Method for producing bioplastics.
상기 결합제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제 및 지르코늄계 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The binder is characterized in that at least one selected from the group consisting of a silane-based coupling agent, a titanium-based coupling agent, and a zirconium-based coupling agent,
Method for producing bioplastics.
상기 첨가제는 윤활제, 항균제, 전분 또는 변성 전분 및 코팅제로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The additive is characterized in that at least one selected from the group consisting of lubricants, antibacterial agents, starch or modified starch and coating agents,
Method for producing bioplastics.
상기 단계 1에서, 비식용계 식물체 20∼50중량부, 중합체 50∼80중량부, 결합제 1∼5중량부 및 첨가제 2∼15중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
In the step 1, characterized in that it is used in an amount of 20 to 50 parts by weight of non-edible plants, 50 to 80 parts by weight of polymer, 1 to 5 parts by weight of binder, and 2 to 15 parts by weight of additives,
Method for producing bioplastics.
상기 단계 1에서, 상기 비식용계 식물체 및 중합체의 합계량 100중량부에 대해, 전분 또는 변성 전분을 5 내지 12중량부의 양으로 첨가하는 것을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 5,
In the step 1, characterized in that the starch or modified starch is added in an amount of 5 to 12 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the non-edible plant and the polymer,
Method for producing bioplastics.
상기 단계 1에서, 상기 비식용계 식물체는 100∼200메쉬의 입도 및 5∼6%의 수분함량을 가지는 것임을 특징으로 하는,
바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
In the step 1, characterized in that the non-edible plant has a particle size of 100 to 200 mesh and a moisture content of 5 to 6%,
Method for producing bioplastics.
A bioplastic produced by the method for producing a bioplastic according to any one of claims 1 to 8.
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