KR20010037126A - 전분 발포체 판과 전분발포체 적층판의 제조방법 및 이로부터 제조된 성형물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경친화적이고 생분해성을 갖는 전분 발포체판과 적층판의 제조방법과 이로부터 제조된 성형물에 관한 것이다.

본 발명은, 전분 100중량%에 대하여 폴리비닐알콜:10-40중량% 및 탄산칼슘:1-5중량%로 조성되는 조성물을 발포체로 압출하는 단계; 상기 압출되어 연속적으로 토출되는 발포체를 일정길이로 절단하는 단계; 상기 일정길이로 절단된 발포체의 일측면에 접착제를 도포하고, 다음의 절단된 발포체의 일측면을 접착시켜 절단된 발포체가 길이방향으로 면접하면서 연속배열하도록 하는 단계; 및 상기 연속배열된 발포체를 가압하여 압착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 전분 발포체판의 제조방법과, 이 전분 발포체판을 적층하여 적층판을 제조하는 방법 그리고, 이로부터 제조된 전분 발포체판과 적층판으로 제조된 성형물에 관한 것을 그 기술적요지로 한다. 본 발명의 성형물은 기존의 플라스틱 발포성형물의 물성에 준하면서 무독성 및 생분해성으로 환경친화적인 기능을 가지면서, 전분발포체가 밀접하게 접착되어 치밀한 구조를 갖고 있기 때문에 압축응력이 1900gf/㎠ 수준이고 회복율도 83%수준으로 전자제품의 포장재로서 탁월한 물성을 나타낸다.

Description

전분 발포체 판과 전분발포체 적층판의 제조방법 및 이로부터 제조된 성형물{METHOD FOR MANUFACTURING LAMINA AND LAMINATE MADE FROM STARCH AND SHAPED ARTICLE MANUFACTURED BY USING THEM}

본 발명은 치밀한 구조를 갖도록 하여 물성이 우수한 전분발포체판과 적층판의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 특허출원 1999-10449호의 개량발명에 관한 것이다.

일반적으로 발포체(發泡體)는 내부에 셀구조를 가지고 있어 가벼우면서도 압축강도와 회복률이 좋아 일회용 용기나 농수산품 또는 전자제품의 포장재로 많이 이용되고 있다. 이러한 용도로 이용되는 발포체는 대부분 폴리스틸렌이나 폴리에틸렌 혹은 폴리우레탄 등의 플라스틱수지로 제조하고 있다. 플라스틱수지로 제조된 발포체(일명 스티로품)는 물성과 포장성이 우수하여 많이 사용되고 있으나, 자연분해가 되지 않기 때문에 사용하고 난 후 폐기할때 심각한 환경공해를 유발하는 문제가 있다. 그 해결책으로 스티로품의 재활용에 관한 기술이 많이 개발되고는 있으나, 근본적으로 폐스티로품 수거에 막대한 비용이 소요되기 때문에 그 재활용에는 한계가 있는 실정이다. 이러한 연유로 대부분 소각으로 폐기하고 있으나, 이 경우에 다이옥신 등의 유해물질을 배출, 특히 심각한 환경호르몬을 배출하는 등의 문제를 안고 있다.

따라서, 이런 플라스틱 포장재의 단점을 극복하기 위해 환경친화적인 생분해성 포장재 제조기술에 대한 다양한 연구가 이루어져 왔다. 그 중에서 생분해성이라는 기능적인 특징과 저렴한 비용이라는 가격특성을 갖고 있는 전분을 이용한 발포체 제조기술이 알려져 있다(WO 92/18325).

본 발명자들도 이러한 전분의 특성에 기반하여 전분 발포체 성형물의 제조방법을 대한민국 특허출원번호 1999-10449호에 제안한 바 있다. 이 선행기술은 도 1에 나타난 바와 같이, 압출기에서 토출된 장섬유 발포체(1)를 콘베이어 벨트(6)위에 일정한 단면적을 갖도록 배열하면서 수분을 살포하여 하층을 형성하고, 이 하층위에 다시 장섬유 발포체를 배열하면서 수분을 살포하여 적어도 2층이상으로 적층한 다음, 이를 가압하여 판상의 매트(2)로 만들고 원하는 형상으로 성형하는 것이다. 상기 방법으로 제조된 성형물은, 생분해성이면서도 압축응력 1300gf/㎠ 수준으로서 기존의 스티로품의 물성보다 우수하다는 장점을 갖는다.

그러나, 선행기술로 제조되는 성형물은, 적층체의 각층에 있어 발포체간의 이격공간이 존재하게 되어 구조가 치밀하지 못하기 때문에 전자제품의 포장재로 사용하기에는 다소 어려운점이 있다. 또한, 무거운 전자제품의 포장재는 압축응력이 높으면 높을수록 좋다는 점을 감안할 때, 성형물의 압축응력도 더 높이는 것이 요구되고 있다.

이에 본 발명은 환경친화적이고 생분해성을 갖는 전분발포체로서 치밀한 구조를 가지고 물성도 우수한 전분 발포체판과 적층판의 제조방법 그리고, 이 제조방법으로 제조된 생산물을 이용한 성형물을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 선행기술에 따른 전분발포체 판의 제조공정도

도 2는 본 발명의 전분발포체 성형물의 제조공정도로서

도 2(a)는 연속상의 전분발포체의 절단공정도

도 2(b)는 전분발포체 판의 제조공정도

도 2(c)는 전분발포체 적층판의 제조공정도

도 3은 본 발명에 따라 제도된 삼차원 전분발포체 성형물의 사진

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1, 11......전분발포체 2, 12......전분발포체판

13...... 전분발포체 적층판 4 ...... 성형물

5, 15......접착제분사노즐 6, 16...... 콘베어

7, 17......가압롤 8, 18...... 성형몰드

21, 23.....절단기 22...... 고정구

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전분 발포체판의 제조방법은,

전분 100중량%에 대하여 폴리비닐알콜:10-40중량% 및 탄산칼슘:1-5중량%로 조성되는 조성물을 발포체로 압출하는 단계; 상기 압출되어 연속적으로 토출되는 발포체를 일정길이로 절단하는 단계; 상기 일정길이로 절단된 발포체의 일측면에 접착제를 도포하고, 다음의 절단된 발포체의 일측면을 접착시켜 발포체가 길이방향으로 면접하면서 연속배열하도록 하는 단계; 및

상기 연속배열된 발포체를 가압하여 압착하는 단계;를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 전분 발포체 적층판의 제조방법은, 사이에 접착제를 도포하여 적어도 2개이상의 전분발포체 판을 적층하는 단계;

상기 적층판을 5-35%의 압축율로 압착하여 접착하는 단계;를 포함하여 구성된다.

나아가, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 전분발포체 판과 적층판을 원하는 형상으로 제조한 성형물에 관한 것으로, 이 성형물은 농수산품의 포장재 또는 모니터, 냉장고 등의 전자제품 포장재로 이용될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 '전분발포체판'(lamina made from expanded starch)이란 용어는 압출기에서 발포되어 일정크기로 절단된 선형의 전분발포체를 측면이 면접하도록 연속 배열하여 일정단면을 갖는 판상형 재료를 의미하며, '적층판'(laminate)이란 용어는 상기 전분발포체판을 적어도 2개이상 적층한 것이다. 또한, '성형물'이란 용어는 상기 전분발포체판이나 적층판을 삼차원 구조물로 형상화한 것을 총칭하며, 포장재의 용도로 적용될 수 있는 것이다.

본 발명의 전분발포체는 출원번호 1999-10449호에 제안된 전분과 폴리비닐알콜(PVA) 및 탄산칼슘으로 조성되는 것이다. 본 발명에서 전분(녹말)은 생분해성을 갖는 원료로 주성분이며, 폴리비닐알콜은 수용성으로 무독성인 환경친화적인 원료로서 발포체의 물성을 확보해주며, 탄산칼슘은 생분해성원료로 발포율을 억제하여 적정한 발포체의 발포율을 확보해준다. 본 발명의 발포체는 이들 성분의 적정한 배합으로 우수한 물성을 나타낸다. 폴리비닐알콜은 발포체의 물성(인성, 연성, 인장강도) 및 외관을 고려하여 전분 100중량%에 대하여 10∼40중량%로 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 이 원료가 고가이므로 경제성을 고려하여 10-25%로 하는 것이다. 탄산칼슘은 발포체의 발포율과 기공(pore)의 형태 및 크기에 미치는 영향을 고려하여 전분 100중량%에 대하여 1∼5중량%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명자들의 계속적인 실험결과, 발포체 조성물에 포도당을 추가로 첨가하면 발포율이 향상되는 것이 확인되었으며, 이에 따라 고가의 폴리비닐알콜의 일정량을 포도당으로 대체하여도 물성의 열화없이 제조비용의 절감을 도모할 수 있었다. 폴리비닐알콜의 일정량을 1:2∼3정도의 비율로 포도당으로 대체하는 것이 물성의 열화가 없어 가장 바람직하다.

이와 같이 조성되는 전분발포체를 압출기에서 일정형상으로 만들어 전분발포체판과 적층판으로 제조할 수 있는데, 이를 구분하여 설명하면 다음과 같다.

[전분발포체판의 제조방법과 이로부터 제조된 성형물]

상기와 같이 조성되는 전분 발포체의 혼합물을 압출기에 투입하여 압출기의 다이노즐을 통해 선형의 발포체를 제조한다. 이러한 압출공정에서는 압출기의 기계조건(L/D비, 스쿠루의 배열, 스큐드 스피드 등)과 공정조건(압력, 온도, 수분)이 있는데, 이들은 통상의 압출조건으로 한다.

압출기에서 토출되는 연속형의 발포체를 일정길이로 절단하는데, 그 절단길이는 최종 생산물인 발포체판 단면을 고려하여 설정하는 것이 좋으며 예를 들어 약 2-3m의 길이로 절단할 수 있다.

이때의 절단은, (가) 압출기의 다이에 절단기를 설치하여 일정길이 만큼 토출되면 바로 압출기의 입구에서 발포체를 절단하는 방법과, (나) 압출기와는 별도로 일정간격을 두어 절단기를 설치하여 발포체를 절단하는 방법이 있을 수 있다.

상기 (가)의 절단방법은 압출기 내부의 압력변화에 따른 발포체의 토출 속도 변화에 따라 절단 발포체의 길이변화가 생긴다는 단점이 있다. 이에 반해, 상기 (나)의 절단방법은 도 2(a)에서와 같이 압출기에서 토출되는 발포체(11)를 일정량(약 5-10m) 모으고 이를 절단기(21)에 투입하여 일정길이로 절단할 수 있어 발포체의 길이를 균일하게 할 수 있다. 이때, 잔류되는 발포체의 양이 많으면 절단기에서 절단시 과도한 장력으로 인한 끊김현상이 일어날 수 있으므로 절단기에서 발포체의 이송속도를 압출기에서 발포체의 토출속도 보다는 작게, 바람직하게는 약 50-100%정도 해주는 것이 바람직하다.

상기와 같이 절단된 발포체를 가지고 전분발포체 판을 제조한다.

먼저, 도 2(b)에서와 같이, 1개의 절단된 발포체(11)의 양단을 고정구(grip)(22)에 고정하는데, 이때 발포체의 길이가 최종 발포체판의 폭 보다 긴 경우에는 이를 절단할 수 있다. 고정된 발포체의 길이방향으로 측면에 접착제를 도포한다. 접착제로는 물, 녹말, PVA풀 등이 이용될 수 있으며, 노즐(15)에 의해 이들을 분사하여 도포할 수 있다. 이어서, 후행하는 다른 절단된 발포체를 상기 접착제가 도포된 선행 발포체의 측면에 밀어서 접착시킨다. 상기 선행하는 발포체와 후행하는 발포체의 접착면을 최대한 넓히는 것이 유리하므로 열판으로 접촉시켜 불규칙한 단면을 최대한 평면화하는 것이 바람직하다. 열판은 약 40-80℃의 온도를 갖고 있는 것이 바람직한데, 이는 40℃이상 되면 평면화의 효과가 충분하며, 80℃를 넘으면 발포체가 굳어져서 쿠션효과가 저하된다.

상기와 같이 선행하는 발포체의 일측면에 후행하는 발포체의 일측면을 접착시켜는 과정을 반복하여 길이방향으로 면접하면서 연속배열시킨 다음,이를 가압하여 압착함으로써 판상으로 만든다. 가압은 도 2(b)와 같이 발포체의 상하면에서 롤러(17)로 압착할 수 있다. 이 롤러는 열을 갖고 있는 것이 바람직하며, 가압시간은 0.5-1초정도가 가장 바람직하다. 이러한 제조방법에 있어 무한길이로 발포체판을 제조하는 경우라면 가압하여 압착된 발포체판의 길이를 소정의 크기로 절단할 수 있다.

상기와 같이 제조된 전분발포체 판을 원하는 형상으로 성형하여 인가하중이 높지 않은 용도로 사용할 수 있는데, 그러한 용도로는 계란판 또는 과일의 층구분용 농수산물 포장재를 예로 수 있다. 또한, 이러한 성형공정에서도 몰드에 열을( 약 30-60℃) 가하여 성형성을 확보할 수 있다.

[전분 발포체 적층판의 제조방법]

상기와 같이 제조된 전분발포체판의 물리적특성을 개선하기 위하여 이를 적층하여 적층판을 제조한다. 먼저, 도 2(c)에서와 같이, 전분발포체 판(12)의 상면에 접착제를 도포(노즐(15)로 살포)하고, 이 위에 다른 전분발포체 판(12)을 적층시킨다. 이때 접착제로는 물, 녹말풀, PVA풀 등이 이용될 수 있으며, 또한, 적층판의 물리적 특성치를 보다 높이기 위해 발포체판의 배향각도를 다르게 하는 것이 좋다.

이러한 적층방법을 반복하여 원하는 두께로 만드는데, 연속공정을 위해 유압고정구(미도시)를 사용하여 적층몰드로 최하층 발포체판(12)을 이송하고, 이어 다른 발포체판(12)을 유압고정구로 고정하여 그 위로 적층하는데, 이송시간은 접착제의 살포에 소요되는 시간을 감안하여 접착제 살포가 완료되는 시점에서 연속적층하도로 할 수 있다.

이와 같이 원하는 두께로 적층된 발포체판을 압착하여 접착한다.

상기와 같이 제조된 전분발포체 적층판(13)은 원하는 형상으로 성형하는데, 이러한 성형공정에서도 몰드에 열을 가하여 성형성을 확보할 수 있다. 상기와 같이 제조된 성형물은 전자제품의 포장재로 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 전분발포체에서는 출원번호 99-10449호에서 제시한 바와 같이, 색상처리, 발수처리 또는 곰팡이에 대한 부식저항성처리, 방수처리등을 행할 수 있다.

즉, 유기성 분말안료를 발포체의 원료와 혼합하여 압출기에 공급하여 유색을 갖는 발포체를 제조할 수 있다. 또한, 발수처리는 상온조건에서 지르코늄계, 파라핀계 발수제가 희석된 발수가공제를 성형물의 전 표면에 균일하게 분사시키고 50-100℃사이의 온도에서 건조시킬 수 있다. 또한, 발포체를 장기적으로 사용하는 경우 곰팡이에 의한 부식 등에 저항력이 요구된다. 이 경우에는 항미생물 가공제 예를 들어, 무독성인 키토산을 발수제에 희석하여 처리한다. 본 발명의 전분발포체 성형물은 수분(물)과 직접적으로 다량 접촉될 시에는 발포체의 구조적인 붕괴를 가져올 수 있다. 예로, 수산물의 운반을 위한 포장재로 사용될 때에는 물과의 직접적인 접촉을 피할 수 없으므로 그 사용에 제약을 받게 된다. 따라서, 본 발명에서는 성형물을 진공코팅하는 방법을 이용한다. 이 방법은 성형물의 표면에 방수기능을 할 수 있는 폴리에틸렌(PE)나 폴리프로필렌(PP) 필름을 진공상태에서 균일하게 접착하여 코팅하는 방법이다. 이 방법에 의해 물과의 직접적인 접촉에도 구조 저하를 가져오지 않으면서 견고한 구조를 유지하여 수산물의 포장에 사용될 수 있다. 코팅된 포장재는 폐기시에 코팅 부분만이 수거·폐기할 부분이고 내부에 있는 전분발포 포장재는 생분해성이므로 폐기물의 양을 기존의 스트로 폼에 비해 현격히 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

표 1과 같은 혼합원료를 준비하고 이 원료를 압출기(다이 구멍:0.1∼0.7㎜)로 공급하여 발포체를 토출하면서 0.5-1.5m의 길이로 절단하였다. 절단된 발포체를 30-60℃의 열판으로 평면화시키고 접착제를 사용하여 발포체의 측면에 1-3초간 분사시켜 도 3과 같이 전분발포체 판을 제조하였다. 이를 30-60℃의 열판으로 프레스하고 이들을 적층하여 전분발포체 적층판을 제조하였다. 제조된 적층판의 예들을 도 4에 사진으로 나타내었다.

4층으로 적층된 전분발포체 적층판의 물성을 출원번호 99-10449호에 제안된 제조방법으로 제조된 발포체, 그리고 종래의 스티로품과의 물성을 비교하여 아래 표 1에 나타내었다.

구분	조성	밀도(g/㎠)	압축응력*(g/㎠)	회복률**(%)
	탄산칼슘(중량부)				폴리비닐알콜(중량부)
발명예	1	15	0.017	1850	83
발명예	1	폴리비닐알콜:10포도당:10	-	1800	80
선행기술(출원번호99-10449)	1	15	0.020	1300	76
종래예	스티로폼	0.012	1275	78
*압축응력 : 시료의 두께를 50% 압축하는데 필요한 하중

표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 전분발포체 적층판은 종래의 스티로품의 대체재료가 될 수 있음을 알 수 있으며, 선행기술의 발포체에 비하여 물성도 개선됨을 알 수 있었다. 또한, 폴리비닐알콜의 일정량을 포도당으로 대체하여도 압축을력이나 회복율에서 별 차이가 없었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 제조된 전분발포체판의 형태안정성을 살펴보기 위해 원통형으로 구부려 녹말풀로 접착시켰다. 이를 도 4에 사진으로 나타내었는데, 접착된 모습은 사진에서와 같이 형태안정성이 뛰어났다.

또한, 발포체의 굴곡형태 유지성을 살펴보기 위해 전분발포체판 2장을 배향을 같은 방향으로 하여 적층하여 접착시켰다. 그후 30-60℃사이의 몰드에서 몰드하였다. 도 4에서와 같이, 몰딩된 모습은 몰드의 미세한 굴곡까지 표현됨을 알 수 있었다. 이것은 포장재에 상품표시 라벨을 따라 사용하지 않고 몰드 자체에 형상화할 수 있으므로 포장재의 가격을 낮추는 결과를 가져올 수 있다.

[실시예 3]

포장재에 흰색이외의 색을 부여하기 위해 압출과정에서 안료를 전분 무게의 0.001-0.1%를 첨가하여 실시예 1과 같은 방법으로 3층의 전분발포체 적층판으로 제조하였다.

염색된 전분발포체 적층판은 표면에 수분이 도포되어도 발포체와 함께 녹고 안료가 묻어나지 않아 염색 견뢰도가 매우 높게 나타내었다. 이렇게 염색된 전분발포체는 사용시 포장재에서 떨어져 나올 수 있는 전분 조각을 확인할 수 있게 해주므로 취급 용이성을 줄수 있다.

[실시예 4]

실시예 1의 방법(녹말풀사용)으로 제조된 전분발포체 판과 적층판을 재단하여 삼차원 구조의 포장재를 제조하였다. 이들의 형태안정성을 살펴보기 위해 0.5-1.5kg 무게를 갖는 금속체를 그 위에 놓았다. 전분발포체 판 하나로 제조된 포장재에서도 굽힘강성과 접착력에 의해 구조가 붕괴되지 않고 형태안정성을 보이는 것을 알 수 있었다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예가 여기서 상세하게 기술되었고 첨부된 도면에서 도시되었지만, 본 발명은 이러한 세세한 실시예에 제한되지 않으며, 다양한 변화와 변경은 본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않고 본 발명의 범위로 해석하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 TV, 냉장고, 전자렌지, 보드 등과 같이 삼차원 형상을 갖는 포장재에 사용되는 기존의 스티로품 포장재를 대체할 수 있을 생분해성 성형물을 제공할 수 있으며, 이 성형물의 가격 경쟁면에서도 유리할 뿐 아니라, 스티로품 포장재 등이 갖는 폐기시의 난점도 극복하여 플라스틱 포장재로 인해 발생되고 있는 환경오염 방지에 도움을 주는 유용한 효과가 있다.

Claims (7)

1. 전분 100중량%에 대하여 폴리비닐알콜:10-40중량% 및 탄산칼슘:1-5중량%로 조성되는 조성물을 발포체로 압출하는 단계;

   상기 압출되어 연속적으로 토출되는 발포체를 일정길이로 절단하는 단계;

   상기 일정길이로 절단된 발포체의 일측면에 접착제를 도포하고, 다음의 절단된 발포체의 일측면을 접착시켜 발포체가 길이방향으로 면접하면서 연속배열하도록 하는 단계; 및

   상기 연속배열된 발포체를 가압하여 압착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 전분 발포체판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 발포체의 폴리비니알콜의 일정량을 1:2∼3의 비율로 포도당으로 대체함을 특징으로 하는 전분 발포체판의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 발포체의 접착면은 접착하기전에 40-80℃의 열판을 접촉시켜 평면을 갖도록 함을 특징으로 하는 전분 발포체판의 제조방법
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가압은 열을 가하여 행함을 특징으로 하는 전분발포체 판의 제조방법.
5. 사이에 접착제를 도포하여 적어도 2개이상의 전분발포체 판을 적층하는 단계;

   상기 적층판을 압착하여 접착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 전분발포체 적층판의 제조방법.
6. 일정길이의 발포체가 길이방향으로 면접하면서 연속배열된 전분발포체 판으로 제조된 성형물.
7. 일정길이의 발포체가 길이방향으로 면접하면서 연속배열된 전분발포체가 2개이상 적층된 전분발포체 적층판으로 제조된 성형물.