KR20240077456A

KR20240077456A - 토양생분해성이 확보된 섬유용 내열 컴파운드 조성물 및 이를 이용하여 제조한 토양생분해성 섬유

Info

Publication number: KR20240077456A
Application number: KR1020230165547A
Authority: KR
Inventors: 박동일; 이수정; 허나영; 심준엽; 정승문
Original assignee: 주식회사 알앤에프케미칼
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2023-11-24
Publication date: 2024-05-31

Abstract

본 발명은 폴리프로필렌, 열가소성 전분으로서 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분, 및 미량의 금속을 포함하는 토양생분해성 섬유용 내열 컴파운드 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 폴리프로필렌 및 열가소성 전분을 포함하는 컴파운드는 토양조건에서 높은 생분해도를 나타내어 섬유소재로 상용화 시 탄소발생 및 폐기물 관리 문제를 유발시키지 않을 수 있다.

Description

토양생분해성이 확보된 섬유용 내열 컴파운드 조성물 및 이를 이용하여 제조한 토양생분해성 섬유{Heat-resistant compound composition for fibers with biodegradability in soil and fibers with biodegradability in soil using the same}

본 발명은 토양생분해성이 확보된 섬유용 내열 컴파운드 조성물 및 이를 이용하여 제조한 토양생분해성 섬유에 관한 것이다.

최근 발생한 플라스틱 폐기물 문제와 탄소중립문제와 맞물려 바이오매스와 생분해성 플라스틱에 대한 관심이 지속적으로 대두되고 있는 와중에, 코로나 19를 겪으면서 일회용 부직포 섬유폐기물 문제가 급부상하게 되었다. 일회용 부직포는 병원균 오염 및 위생문제로 인해 재활용도 되지 않아 전량소각하고 있어 탄소발생 및 폐기물 관리 문제를 지속적으로 발생시켜 왔다. 이에 따라, PLA(Polylactic acid)를 생분해성 섬유소재로 사용하는 시도가 이루어졌고 현재 상용화 단계에 있다. 그러나 PLA는 산업용퇴비화 조건(58℃이상)에서 퇴비화가 진행되나 실제토양조건에서는 생분해 되지 않는 특성을 지니고 있다.

최근 유럽뿐 만 아니라 미국, 아시아 국가에서도 실제 토양조건기준(25℃)으로 생분해기준을 변경하는 움직임이 일어나고 있다. 특히 올해 초 환경부에서 PLA 소재가 토양조건에서 생분해가 되지 않아 일회용품에 대해 생분해인증을 신규로 발행하지 않는 시행안을 발표하였다.

이에 따라, 산업용퇴비화 조건 뿐만 아니라 실제토양조건에서 생분해가 가능한 섬유용 컴파운드의 개발 필요성이 대두되고 있다.

본 발명은 토양생분해성이 확보된 섬유용 내열 컴파운드 조성물 및 이를 이용하여 제조한 토양생분해성 섬유를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

본 발명은 폴리프로필렌, 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분, 및 미량의 금속을 포함하는 토양생분해성 섬유용 내열 컴파운드 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 이용하여 제조한 토양생분해성 섬유를 제공한다.

본 발명에 따른 폴리프로필렌 및 열가소성 전분을 포함하는 컴파운드는 토양조건에서 높은 생분해도를 나타내어 섬유소재로 상용화 시 탄소발생 및 폐기물 관리 문제를 유발시키지 않을 수 있다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 실시예 1의 펠릿형 컴파운드를 사용하여 제조한 섬유의 SEM 사진이다.

본 발명은 폴리프로필렌, 열가소성 전분으로서 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분, 및 미량의 금속을 포함하는 토양생분해성 섬유용 내열 컴파운드 조성물을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여 폴리프로필렌 50 내지 80 중량%; 아밀로펙틴 전분 2.0 내지 20 중량%; 아밀로오스 전분 5.0 내지 25중량; 및 금속 10 내지 100ppm을 포함할 수 있다.

본 발명에서 천연분해성 물질로 사용되는 전분은 옥수수, 감자, 쌀, 고구마 등에서 추출되며 직쇄형(直鎖型)의 아밀로오즈 전분과 분지형(分枝型)의 아밀로펙틴 전분을 주된 구성성분으로 한다.

본 발명에서 전분은 화학적 처리에 의해 아밀로펙틴 전분이 아밀로오스 전분으로 전환된 변성 전분일 수 있다.

아밀로펙틴 전분 대비 아밀로오스 전분의 상대 함량이 증가함에 따라 생분해성이 향상될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분의 총 중량에 대하여 아밀로오스 전분의 함량은 10 내지 90%, 바람직하게는 50 내지 90%일 수 있다. 아밀로오스 전분의 함량이 90%일 경우 생분해도가 최대일 수 있으며, 그 이상으로 아밀로오스 전분의 상대 함량을 증가시키는 것은 불가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분은 말단기에 에스테르 작용기가 결합되어 에스테르화 전분을 형성할 수 있다.

에스테르화 전분은 전분에 내열성을 부여하고 컴파운드에 내구성을 부여할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에스테르 작용기는 조성물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 6 중량%, 바람직하게는 2.00 내지 3.50 중량의 함량으로 아밀로오스 전분의 말단기에 결합되는 것일 수 있다. 에스테르기가 증가할수록 생산성 및 내열성이 확보되나, 6 중량% 이상이도록 유도하는 것은 어렵다.

본 발명에서 전분은 가소화된 열가소성 전분일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속은 Ca, K, Cu, Zn, Mg, Fe, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.

극소량의 금속은 열가소성 전분과 혼합 첨가되어 폴리프로필렌의 토양생분해를 유도하는 작용을 한다.

구리, 아연, 칼륨에 대하여 생분해도를 평가한 결과, K(칼륨)이 산업용 및 토양조건에서도 폴리프로필렌 분해를 상대적으로 더 촉진시키는 것을 확인하였다.

따라서, 금속은 K인 것이 바람직하다.

금속의 함량은 10ppm 내지 100ppm인 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 70ppm 내지 100ppm이다.

금속 함량에 따른 생분해도를 평가한 결과, 금속 함량이 70ppm인 경우 최적의 생분해도 결과가 도출되었으며, 100ppm 함량초과시 생분해도가 오히려 감소하는것으로 확인되었다.

이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[재료]

전분 분말로는 감자(시중에서 구입가능한 영흥식품社 OTTO감자)에서 추출한 전분을 사용하였다.

감자 전분에 가소제인 글리세롤을 혼합하여 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS)을 제조하였다. 혼합된 글리세롤은 20-35 wt.%의 비율이었고 TPS는 이축 압출기에서 제조하였다.

<실시예 1 내지 실시예 12>

컴파운드 조성물의 제조

하기 표 1에 기재된 조성으로 컴파운드 조성물을 제조하였다.

컴파운드의 제조

상기 컴파운드 조성물을 압출하여 펠렛 형태의 컴파운드를 제조하였다. 이때, 압출기는 스크류 직경이 44 mm인 트윈 압출기를 사용하였으며, 압출속도는 300 rpm, 원료투입속도는 40 rpm, 배럴온도는 150℃, 다이노즐 직경은 3.5 mm, 열교환방식 : 역류, 냉각수 온도: 20℃로 하였다.

<비교예 1>

금속을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 컴파운드를 제조하였다.

<실험예 1> 생분해도 평가

상기 실시예 1 내지 12, 및 비교예 1에서 제조한 펠릿형 컴파운드를 2Х2cm 크기로 절단하여 얻은 시료를 KS M ISO 14855-1(퇴비화 조건에서의 플라스틱의 호기성 생분해도 측정방법)에 의해 90일 기준으로 표준시료(셀룰로오즈)와 시험시료의 발생된 이산화탄소의 양을 측정하여 하기 식에 의해 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

생분해도(%) = (발생 이산화탄소의 양/이론적 이산화탄소의 양) x 100

또한, 일반토양조건인 KS M ISO 17556(이산화탄소 발생량 또는 산소소비량 측정)에 의해 180일 기준으로 표준시료(셀룰로오즈)와 시험시료의 발생된 이산화탄소의 양을 측정하여 하기 식에 의해 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

<실험예 2> 내열성 평가

상기 실시예 1 내지 12, 및 비교예 1에서 제조한 펠릿형 컴파운드에 대해 TGA Curve를 측정하여, Weight loss 5%이상 도달하는 온도를 기준으로 열분해 온도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. TGA Curve 측정에는 TA Instrument社 TGA Q500을 사용하였다.

컴파운드 조성 (wt%)	금속(ppm)			조성(wt%)				생분해도(180일)		내열성
컴파운드 조성 (wt%)	Cu	Zn	K	폴리프로필렌	아밀로펙틴 전분	아밀로오스 전분	에스테르 작용기	산업용퇴비화 (ISO 14855-1)	토양조건 (ISO 17556)	열분해온도 (℃)
비교예1	0	0	0	75.00	17.50	7.50	0.00	26.4	13.1	203
실시예1	100	0	0	75.00	17.50	7.50	0.00	53.2	33.1	204
실시예2	0	100	0	75.00	17.50	7.50	0.00	61.1	41.7	202
실시예3	0	0	100	75.00	17.50	7.50	0.00	73.8	53.8	203
실시예4	0	0	70	75.00	17.50	7.50	0.00	84.2	58.6	202
실시예5	0	0	10	75.00	17.50	7.50	0.00	62.7	44.4	203
실시예6	0	0	150	75.00	17.50	7.50	0.00	59.8	59.3	202
실시예7	0	0	300	75.00	17.50	7.50	0.00	58.6	52.2	205
실시예8	0	0	70	75.00	12.50	12.50	0.00	86.5	64.3	203
실시예9	0	0	70	75.00	7.50	17.50	0.00	88.9	71.4	202
실시예10	0	0	70	75.00	2.50	22.50	0.00	91.3	76.2	205
실시예11	0	0	70	75.00	2.13	22.13	0.75	90.9	79.3	216
실시예12	0	0	70	75.00	1.75	21.75	1.50	90.1	80.0	228

실시예 1 내지 3의 결과로부터 구리, 아연, 칼륨중 K(칼륨)이 산업용 및 토양조건에서도 폴리프로필렌 분해를 상대적으로 더 촉진시킬수 있음을 알 수 있다.

실시예 3 내지 7의 결과로부터 K(칼륨) 70ppm을 첨가한 경우 최적의 생분해도를 얻을 수 있으며 100ppm 초과시 생분해도가 오히려 감소함을 알 수 있다.

실시예 4, 8, 9, 10의 결과로부터 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분의 총 중량에 대한 아밀로오스 전분의 함량이 90%일 경우 생분해도가 최대임을 알 수 있다.

실시예 11, 실시예 12의 결과로부터 에스테르화 전분 적용에 따라 내열성이 향상됨을 알 수 있다.

<실험예 3> 섬유가공성 및 기계적물성 평가

상기 실시예 1 내지 12, 및 비교예 1에서 제조한 펠릿형 컴파운드를 이용하여 섬유로 가공한 후 섬유가공성 및 기계적물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

섬유물성	섬유가공성			기계적물성
섬유물성	연신비(%)	섬도(de)	방사수율(%)	인장강도(g/d)	파단신율(%)
비교예1	185	3.78	66	1.12	105
실시예1	145	4.65	50	0.96	65
실시예2	130	4.33	52	0.75	75
실시예3	140	3.98	53	0.77	80
실시예4	160	3.77	46	0.63	85
실시예5	175	3.45	53	0.82	80
실시예6	115	3.89	37	0.71	100
실시예7	90	3.66	23	0.53	95
실시예8	160	3.43	68	0.54	135
실시예9	155	4.11	67	0.95	125
실시예10	160	4.08	59	0.98	130
실시예11	245	2.78	78	1.13	135
실시예12	≥300	2.18	84	1.92	225

상기 표 2에 나타낸 바와 같이 상기 실시예 1 내지 12에서 제조한 펠릿형 컴파운드를 이용하여 가공한 섬유는 비교예 1에서 제조한 펠릿형 컴파운드를 이용하여 가공한 섬유와 비교하여 동등한 수준의 섬유가공성 및 기계적물성을 나타내었다.

Claims

폴리프로필렌, 열가소성 전분으로서 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분, 및 미량의 금속을 포함하는 토양생분해성 섬유용 내열 컴파운드 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여 폴리프로필렌 50 내지 80 중량%; 아밀로펙틴 전분 2.0 내지 20 중량%; 아밀로오스 전분 5.0 내지 25 중량; 및 금속 10 내지 100ppm을 포함하는 것인 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속은 Ca, K, Cu, Zn, Mg, Fe, Mn 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속은 K인 것인 조성물.
제1항에 있어서,
상기 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분의 총 중량에 대하여 아밀로오스 전분의 함량은 10 내지 90%인 것인 조성물.
제1항에 있어서,
상기 아밀로펙틴 전분 및 아밀로오스 전분은 말단기에 에스테르 작용기가 결합되는 것인 조성물.
제1항에 있어서,
상기 에스테르 작용기는 조성물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 6 중량%의 함량으로 아밀로오스 전분의 말단기에 결합되는 것인 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 이용하여 제조한 토양생분해성 섬유.