KR20220143922A - 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제, 생분해성 수지 조성물, 및 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해 촉진 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제는, 염기성 황산마그네슘을 포함한다.
Description
본 발명은 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제, 생분해성 수지 조성물, 및 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해 촉진 방법에 관한 것이다.
최근, 투기된 플라스틱에 의한 해양 오염이 지구 규모의 큰 문제가 되고 있다. 해양 투기된 플라스틱은, 장기간 형상을 유지하기 때문에, 해양 생물의 섭식 장애 등 생태계에의 영향이 지적되고 있다. 또한, 자외선 등에 의해 미세화된 마이크로플라스틱은, 해양 생물의 섭취에 의해 식물연쇄(食物連鎖)에 영향을 주고, 최종적으로는 인체에 대해서도 유해하게 될 우려가 있다. 지구 전체에서 SDGs가 의식되는 가운데, 생분해성 플라스틱, 특히 해양 분해성을 갖는 생분해성 플라스틱이 요구되고 있다.
생분해성을 유지하면서, 여러 가지 특성을 높인 생분해성 수지 조성물이 제안되어 있다. 예컨대, 무기 충전제로서의 월라스토나이트를 지방족 폴리에스테르 수지(폴리부틸렌숙시네이트-젖산 코폴리머)에 배합함으로써, 생분해성을 유지하면서, 강성, 내열성 및 충격 내성을 높인 수지 조성물이 개시되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
또한, 폴리부틸렌숙시네이트(PBS)에 부채꼴 염기성 황산마그네슘을 배합함으로써, PBS의 기계 특성(굽힘 탄성률)을 향상시킨 것이 보고되어 있다(예컨대, 비특허문헌 1 참조).
비특허문헌 1: Ind. Eng. Chem. Res. 2017, 56, 3516-3526
지방족 디카르복실산과 글리콜로부터 중축합법으로 얻어지는 지방족 폴리에스테르는 화학 합성계 생분해성 플라스틱으로서 알려져 있다. 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)를 비롯한 숙신산계 생분해성 수지는, 해양 분해성을 구비하고 있으나, 더욱 더 해양 분해성을 높이는 것이 요망되고 있다. 이 PBSA는 연질이기 때문에 강성이 낮아, 용도가 한정되어 버린다. 종래보다 우수한 해양 분해성을 구비하고, 굽힘 탄성률이 높은 성형체가 얻어지는 생분해성 수지 조성물이 요구되고 있다.
그래서 본 발명은 종래보다 높은 효과를 갖는 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제, 우수한 해양 분해성을 구비하고, 굽힘 탄성률이 높은 성형체가 얻어지는 생분해성 수지 조성물, 및 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해 촉진 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제는, 염기성 황산마그네슘을 포함한다.
본 발명에 따른 생분해성 수지 조성물은, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트와, 염기성 황산마그네슘을 함유한다.
본 발명에 따른 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해 촉진 방법은, 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지에 염기성 황산마그네슘을 첨가하고, 이어서 혼련하는 것을 포함한다.
본 발명에 의하면, 종래보다 높은 효과를 갖는 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제, 우수한 해양 분해성을 구비하고, 굽힘 탄성률이 높은 성형체가 얻어지는 생분해성 수지 조성물, 및 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해 촉진 방법을 제공할 수 있다.
본 발명자는 예의 연구의 결과, 염기성 황산마그네슘이, 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지, 특히 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)의 분해를 촉진하는 작용을 갖는 것을 발견하였다. 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)에 염기성 황산마그네슘을 배합하여 얻어진 수지 조성물은, 해수 중에서의 분해가 종래보다 촉진된다. 게다가, 이러한 수지 조성물을 이용함으로써, 굽힘 탄성률이 높은 성형체를 얻을 수 있다. 본 발명은 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.
<염기성 황산마그네슘>
염기성 황산마그네슘은, MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O로 표시되고, 예컨대, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 수산화칼슘 등의 알칼리성 물질과 황산마그네슘을 원료로 하여, 수열 합성에 의해 얻을 수 있다. 염기성 황산마그네슘으로서는, 섬유상 염기성 황산마그네슘 및 부채꼴 염기성 황산마그네슘 중 어느 것을 이용해도 좋다. 섬유상 염기성 황산마그네슘이 바람직하지만, 섬유상 염기성 황산마그네슘과 부채꼴 염기성 황산마그네슘을 병용할 수도 있다.
섬유상 염기성 황산마그네슘은, 평균 섬유 길이가 일반적으로 2∼100 ㎛, 바람직하게는 5∼50 ㎛의 범위이고, 평균 섬유 직경이 일반적으로 0.1∼2.0 ㎛, 바람직하게는 0.1∼1.0 ㎛의 범위이다. 섬유상 염기성 황산마그네슘은, 평균 애스펙트비(평균 섬유 길이/평균 섬유 직경)가 일반적으로 2 이상, 바람직하게는 3∼1000, 보다 바람직하게는 3∼100, 특히 바람직하게는 5∼50의 범위이다. 또한, 섬유상 염기성 황산마그네슘의 평균 섬유 길이 및 평균 섬유 직경은, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 확대 화상으로부터 화상 해석에 의해 측정한 섬유 길이 및 섬유 직경의 각각의 개수 평균값으로부터 산출할 수 있다.
부채꼴 염기성 황산마그네슘은, 복수의 섬유상 염기성 황산마그네슘의 일부가 접합되어 부채꼴로 이어진 입자이고, 예컨대, 그 평균 입자 길이 2∼100 ㎛, 평균 입자 폭 1∼40 ㎛, 평균 애스펙트비 1∼100 정도이다. 여기서, 평균 입자 길이란, 입자의 길이 방향의 치수를 가리키고, 평균 입자 폭이란, 입자의 폭 방향의 최대 치수를 가리킨다. 입자의 길이 방향이란 입자 길이가 최대가 되는 방향이고, 입자의 폭 방향이란 길이 방향과 직교하는 방향이다. 또한, 평균 애스펙트비란, 비(평균 입자 길이/평균 입자 직경)이다.
부채꼴 염기성 황산마그네슘을 구성하고 있는 각각의 섬유상 염기성 황산마그네슘은, 평균 섬유 길이 2∼100 ㎛, 평균 섬유 직경 0.1∼5 ㎛, 평균 애스펙트비 1∼1000이다. 복수의 섬유상 염기성 황산마그네슘은, 예컨대 일단에서 묶이고, 타단에서 퍼짐을 갖는다. 또한, 복수의 섬유상 염기성 황산마그네슘은, 길이 방향에 있어서의 임의의 위치에서 묶이고, 양단에서 퍼짐을 갖고 있어도 좋다. 이러한 부채꼴 염기성 황산마그네슘은, 예컨대, 일본 특허 공고 평성 제4-36092호 공보, 및 일본 특허 공고 평성 제6-99147호 공보 등에 기재되어 있는 방법에 따라 제조하여, 확인할 수 있다.
또한, 부채꼴 염기성 황산마그네슘은, 반드시 개개의 섬유상 염기성 황산마그네슘이 확인되는 상태일 필요는 없고, 일부에 있어서 섬유상 염기성 황산마그네슘끼리가 길이 방향에서 접합된 상태여도 좋다. 전술한 바와 같은 형상을 갖고, 또한 소정 범위의 평균 섬유 길이, 평균 섬유 직경, 및 평균 애스펙트비를 갖는 섬유상 염기성 황산마그네슘이 포함되는 것이 확인되면, 본 발명에서 이용되는 부채꼴 염기성 황산마그네슘으로 간주할 수 있다.
또한, 물리 특성을 향상시키기 위해서 생분해성 수지에 배합되는 무기 충전제로서, 월라스토나이트 등이 알려져 있다. 월라스토나이트는 해수에는 용해되지 않기 때문에, 생분해성 수지의 분해 잔류물로서 해양 중에 방출된다. 이 경우에는, 방출된 월라스토나이트가 축적됨으로써 예기하지 않은 문제가 발생할 가능성이 있다.
이에 대해 염기성 황산마그네슘은, 해수 중에서 분해되어 잔류물이 발생하지 않기 때문에, 그러한 문제를 회피할 수 있다. 염기성 황산마그네슘은, 해수 중에서 황산마그네슘(MgSO4)과 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 분해된다. 황산마그네슘은 해수 중에 용해되고, 수산화마그네슘은, 분위기에 존재하는 산성 성분과 반응하여 Mg염으로서 용해되는 것으로 추측된다.
<생분해성 수지>
본 발명의 분해 촉진제가 적용되는 생분해성 수지로서는, 지방족 디카르복실산과 글리콜의 중축합물인 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지를 들 수 있다. 지방족 디카르복실산으로서는, 숙신산이나 아디프산을 들 수 있고, 이들과 글리콜의 중축합에 의해 합성되는 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지를 적합하게 이용할 수 있다.
숙신산계 생분해성 수지로서는, 예컨대 폴리부틸렌숙시네이트(PBS), 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA), 및 폴리부틸렌숙시네이트·락테이트(PBSL)를 들 수 있다. 또한, 폴리부틸렌숙시네이트·히드로카프로에이트(PBSLC), 폴리부틸렌숙시네이트·카보네이트(PBSC), 폴리부틸렌숙시네이트·테레프탈레이트(PBST), 폴리부틸렌숙시네이트·디에틸렌글리콜숙시네이트(PBS-co-DEGS), 폴리부틸렌숙시네이트·부틸렌(PBS-co-BDGA), 및 폴리부틸렌숙시네이트·플루오네이트(PBSF) 등을 들 수 있다.
아디프산계 생분해성 수지로서는, 폴리부틸렌아디페이트(PBA), 폴리부틸렌아디페이트·테레프탈레이트(PBAT), 폴리에틸렌아디페이트·테레프탈레이트(PEAT)를 들 수 있다.
이들 생분해성 수지는, 1종류를 단독으로 이용해도 좋고, 복수를 이용해도 좋다. 염기성 황산마그네슘을 포함하는 본 발명의 분해 촉진제는, 전술한 생분해성 수지 중에서도, 특히 PBSA의 분해 촉진에 효과를 발휘한다.
지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지에 염기성 황산마그네슘을 첨가하고, 이어서 혼련함으로써, 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해를 촉진할 수 있다. 이 경우, 염기성 황산마그네슘은, 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지와 염기성 황산마그네슘의 합계 질량의 1∼70%의 비율로 존재하는 것이 요망되고, 1∼50%가 보다 바람직하다. 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해를 방해하지 않는 범위이면, 다른 성분이 존재하고 있어도 좋다.
<폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)>
본 발명의 생분해성 수지 조성물에는, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)가 함유된다. 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)는, 해양 분해성 및 수지 물성 등이 특히 우수하고, 예컨대 1,4-부탄디올, 숙신산 및 아디프산을 이용하여, 중축합법에 의해 합성할 수 있다.
<생분해성 수지 조성물의 제조 방법>
본 발명의 생분해성 수지 조성물의 제조 시에는, 먼저, PBSA와 염기성 황산마그네슘을 혼합한다. 혼합에는, 텀블러, 블렌더, 헨셀 믹서 등을 이용할 수 있다. 생분해성 수지 조성물에 있어서의 염기성 황산마그네슘의 함유량은, PBSA와 염기성 황산마그네슘의 합계 질량을 100으로 한 경우, 1∼70%인 것이 바람직하고, 1∼50%인 것이 보다 바람직하다.
얻어진 혼합물을, 이축 혼련기 등을 이용하여 160∼210℃에서 용융 혼련함으로써, 본 발명의 생분해성 수지 조성물이 얻어진다. 본 발명의 생분해성 수지 조성물에는, 염기성 황산마그네슘이 배합되어 있기 때문에, 종래보다 높아진 해양 분해성을 구비하고 있다. 게다가, 본 발명의 생분해성 수지 조성물을 이용함으로써, 굽힘 탄성률이 높은 성형체를 제조하는 것이 가능하다.
본 발명의 생분해성 수지 조성물에는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 다른 성분을 배합해도 좋다.
<성형체>
본 발명의 생분해성 수지 조성물을 성형함으로써, 여러 가지 성형체를 제조할 수 있다. 수지 조성물의 성형에는, 예컨대 압연 성형기(캘린더 성형기 등), 진공 성형기, 압출 성형기, 사출 성형기, 블로우 성형기, 프레스 성형기 등을 이용할 수 있다.
PBSA를 함유하는 수지 조성물을 이용하여 제조되기 때문에, 본 발명의 성형체는, 연질 생분해성 플라스틱이 된다. 연질 생분해성 플라스틱은, 농업용 멀티필름이나 쓰레기 봉투 등, 포장 자재의 필름/시트 제품에 사용할 수 있다.
본 발명의 성형체는, 각종 식품, 약품, 잡화 등의 액상물이나 분립물(粉粒物), 고형물을 포장하기 위한 포장용 자재, 농업용 자재, 건축 자재 등 폭넓은 용도에 있어서 적합하게 이용된다. 구체적 용도로서는, 예컨대, 사출 성형품(예컨대, 신선 식품의 트레이, 커피 캡슐, 패스트 푸드의 용기, 야외 레저 제품 등), 압출 성형품(필름, 예컨대, 낚싯줄, 어망, 식생 네트, 보수(保水) 시트 등), 중공 성형품(보틀 등) 등을 들 수 있다.
또한, 그 외 농업용의 필름, 코팅 자재, 비료용 코팅재, 라미네이트 필름, 판, 연신 시트, 모노필라멘트, 부직포, 플랫 얀, 스테이플, 권축 섬유, 줄무늬가 있는 테이프, 스플릿 얀, 복합 섬유, 블로우 보틀, 쇼핑백, 쓰레기 봉투, 퇴비(compost) 자루, 화장품 용기, 세제 용기, 표백제 용기, 로프, 결속재, 위생용 커버 스톡재, 보냉 상자, 쿠션재 필름, 멀티필라멘트, 합성지, 의료용으로서 수술사(手術絲), 봉합사, 인공 뼈, 인공 피부, 마이크로캡슐 등의 드러그 딜리버리 시스템(DDS), 창상 피복재 등을 들 수 있다.
또한, 토너 바인더, 열전사용 잉크 바인더 등의 정보 전자 재료, 전기 제품 케이스, 인스트루먼트 패널, 시트, 필러 등의 자동차 내장 부품, 범퍼, 프론트 그릴, 휠 커버 등의 자동차 외장 구조 재료 등의 자동차 부품 등에 사용할 수도 있다. 그 중에서도 보다 바람직한 것은, 포장용 자재, 예컨대, 포장용 필름, 자루, 트레이, 캡슐, 보틀, 완충용 발포체, 생선 상자 등, 및, 농업용 자재 등이다. 농업용 자재로서는, 예컨대, 멀칭 필름, 터널 필름, 하우스 필름, 차양, 방초 시트, 논두렁 시트, 발아 시트, 식생 매트, 육묘상, 화분 등을 들 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 생분해성 수지 조성물은, 우수한 해양 분해성을 구비하고, 염기성 황산마그네슘의 함유량에 의해 굽힘 탄성률을 조정할 수 있기 때문에, 여러 가지 용도의 성형체를 얻을 수 있다.
실시예
이하에 본 발명의 구체예를 나타내지만, 이들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다.
이용하는 원료를 이하에 정리한다.
<염기성 황산마그네슘>
A-1 : 섬유상 염기성 황산마그네슘 모스하이지(MOS-HIGE) A-1, 우베 마테리알즈(주) 제조, 평균 장직경 15 ㎛, 평균 단직경 0.5 ㎛, 평균 애스펙트비 30
A-2 : 부채꼴 염기성 황산마그네슘, 평균 입자 길이 33.0 ㎛, 평균 입자 폭 6.0 ㎛, 평균 애스펙트비 5.5
<폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(PBSA)>
B : 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(BioPBS FD92PM, PTT MCC Biochem 제조)
<무기 충전제>
C : 월라스토나이트
<실시예 1>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1) 5 질량부, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(B) 95부를 혼합하였다. 얻어진 혼합물을, 이축 용융 혼련 압출기(L/D=25, (주)이모토 세이사쿠쇼 제조)를 이용하여 160℃에서 용융 혼련하여, 실시예 1의 수지 조성물을 얻었다.
<실시예 2>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 10 질량부로 변경하고, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(B)를 90 질량부로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 2의 수지 조성물을 얻었다.
<실시예 3>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 30 질량부로 변경하고, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(B)를 70 질량부로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 3의 수지 조성물을 얻었다.
<실시예 4>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 50 질량부로 변경하고, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(B)를 50 질량부로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 4의 수지 조성물을 얻었다.
<실시예 5>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 동량의 부채꼴 염기성 황산마그네슘(A-2)으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 5의 수지 조성물을 얻었다.
<실시예 6>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 동량의 부채꼴 염기성 황산마그네슘(A-2)으로 변경한 것 이외에는 실시예 2와 동일하게 하여, 실시예 6의 수지 조성물을 얻었다.
<실시예 7>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 동량의 부채꼴 염기성 황산마그네슘(A-2)으로 변경한 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여, 실시예 7의 수지 조성물을 얻었다.
<비교예 1>
염기성 황산마그네슘(A)을 배합하지 않고, 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트(B) 단미(單味)를 비교예 1로 하였다.
<비교예 2>
섬유상 염기성 황산마그네슘(A-1)을 동량의 월라스토나이트(C)로 변경한 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여, 비교예 2의 수지 조성물을 얻었다.
하기 표 1에는, 실시예 및 비교예의 수지 조성물의 배합 조성을 정리한다.
<시험편의 제작>
소형 사출 성형기(C. Mobile0813, (주)신코 셀빅 제조)를 이용하여 각 수지 조성물을 성형하여, 역학 물성 평가용의 스트립형 시험편(길이 50 ㎜, 폭 5 ㎜, 두께 2 ㎜)을 얻었다.
<굽힘 탄성률의 평가>
만능 역학 시험기((주)이마다 제조)를 이용하여, JISK7171에 준거한 방법으로 3점 굽힘 시험을 행하였다. 지점 간 거리는 40 ㎜, 부하 속도는 10 ㎜/min으로 하였다. 얻어진 하중 변형 곡선으로부터, 굽힘 탄성률을 평가하였다.
<해양 분해성 시험>
실시예 3, 비교예 1에서 얻어진 성형체를 냉동 분쇄에 의해 분쇄하여, 분말 시료를 조제하였다. 분말 시료(실시예 3은 76 ㎎, 비교예 1은 53 ㎎)와 200 mL의 천연 해수(후쿠오카켄 후쿠오카시에서 채취)를 밀폐 용기에 수용하고, 30℃ 항온조 중에서 교반하였다. 피험 시료의 전체 산소 소비량(TOD)은, 95.4 ㎎ O2로 하였다. 30일 후의 산소 소비량(BOD(생물 화학적 산소 요구량))을 측정하고, ((BOD)/(TOD)×100)에 의해 생분해도(%)를 산출하였다.
하기 표 2에는, 각 수지 조성물을 이용한 성형체의 굽힘 탄성률을 나타낸다.
폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트에 염기성 황산마그네슘을 배합함으로써, 굽힘 탄성률이 향상되는 것이, 실시예 1∼7과 비교예 1의 비교로부터 알 수 있다. 염기성 황산마그네슘의 배합량이 많을수록, 굽힘 탄성률은 향상되어 있다.
또한, 염기성 황산마그네슘이 배합됨으로써, 해양 분해성은 현저히 향상되어 있다.
비교예 2에 나타나는 바와 같이, 월라스토나이트와 같은 무기 충전제를 배합한 경우에도, 미배합 시(비교예 1)보다 굽힘 탄성률을 높일 수 있다. 그러나, 월라스토나이트는 생분해도가 뒤떨어지는 데다가, 해양 중에서 분해되지 않는다.
Claims (8)
- 염기성 황산마그네슘을 포함하는 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제.
- 제1항에 있어서, 상기 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지가, 지방족 디카르복실산과 글리콜의 중축합물인 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제.
- 제2항에 있어서, 상기 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지는 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트인 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 염기성 황산마그네슘은, 적어도 일부가 섬유상 염기성 황산마그네슘인 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 염기성 황산마그네슘은, 적어도 일부가 부채꼴 염기성 황산마그네슘인 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지용 분해 촉진제.
- 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트와 염기성 황산마그네슘을 함유하는 생분해성 수지 조성물.
- 제6항에 있어서, 상기 폴리부틸렌숙시네이트·아디페이트와 상기 염기성 황산마그네슘의 합계 질량을 100으로 한 경우, 상기 염기성 황산마그네슘의 함유량은 1∼70%인 생분해성 수지 조성물.
- 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지에 염기성 황산마그네슘을 첨가하고, 이어서 혼련하는 것을 포함하는 지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지의 분해 촉진 방법.
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