KR20220046912A - Method of preparing bioplastics comprising lignocellulosic biomass and starch biomass, bioplastics parepared thereby, and film, sheet or container using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법, 이에 의해 제조된 바이오플라스틱 및 이를 사용한 필름, 쉬트 또는 용기에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a bioplastic containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass, a bioplastic produced thereby, and a film, sheet or container using the same.
바이오플라스틱은 바이오매스를 원료로 사용하여 제조된 고분자 플라스틱을 말한다. 바이오플라스틱은 바이오매스 함량이 50∼70%인 생분해 플라스틱 및 바이오매스 함량이 20∼25%인 바이오 베이스 플라스틱 두 가지로 구분할 수 있고, 바이오매스를 함유하지 않고 산화생분해 촉매를 함유하는 산화생분해 플라스틱도 바이오플라스틱으로 분류된다. Bioplastic refers to a polymer plastic manufactured using biomass as a raw material. Bioplastics can be divided into two types: biodegradable plastics with a biomass content of 50 to 70% and biobased plastics with a biomass content of 20 to 25%. It is classified as a bioplastic.
바이오플라스틱은 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 있으나, 이에 따른 플라스틱 폐기물의 증가로 환경문제가 함께 대두되고 있다. Food packaging, including food, is recognized as one of the final steps for product transportation, delivery, and product information delivery, and its importance has been evaluated relatively low compared to food development and manufacturing, but recently, In addition to functions in the distribution and sales process of food, it is recognized as an important factor for protecting product contents, providing functionality, and securing market competitiveness. As a result, environmental issues are being raised together.
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 total waste, and interest and need for methods to efficiently reduce or treat plastic waste have increased. Mixed bioplastics have begun to be studied a lot both at home and abroad, receiving attention as the most eco-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, bioplastic obtained by mixing and compounding plant biomass, a carbon neutral material, with plastic, can be decomposed in a natural state, 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 solves food safety problems. Recently, research on the development and commercialization of bioplastics as packaging materials using non-edible organic by-products that are not used for food, excluding the use of starch, which is an existing food resource, in connection with food resources is rapidly progressing.
최근들어, 바이오매스와 플라스틱을 결합 또는 복합화시킨 바이오-베이스 플라스틱이 개발되어 대량 생산되고 있고, 결합 방식에 의한 바이오-베이스 플라스틱은 기존 생분해성 또는 생붕괴성 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. Recently, bio-based plastics combining or combining biomass and plastics have been developed and mass-produced, and bio-based plastics by the bonding method have improved physical properties such as tensile and elongation compared to existing biodegradable or biodegradable plastics. The final biodegradation period has been extended, so it is being applied to agriculture, food packaging, industry, automobiles, and underground burial.
예를 들면, 특허문헌 1에는 식물체 유래의 전분계 바이오매스 및 식물체 유래의 셀룰로오스계 바이오매스로 된 바이오매스 가소화 복합체, 무기충전제 및 중합체를 함유하는, 탄소중립형 바이오베이스 플라스틱을 개시하고 있으며, 셀룰로오스 성분을 20중량% 이하로 함유하는 식물체 유래의 전분계 바이오매스 및 전분 성분을 20중량% 이하로 함유하는 식물체 유래의 셀룰로오스계 바이오매스를 가소제의 존재 하에 100∼130℃의 온도에서 열기계적으로 혼련 또는 혼합함으로써, 기계적 물성이 향상된 열가소성 바이오매스 복합체를 제조하는 것이 개시되어 있다. For example, Patent Document 1 discloses a carbon-neutral biobased plastic containing a biomass plasticization complex made of a plant-derived starch-based biomass and a plant-derived cellulosic biomass, an inorganic filler, and a polymer, Plant-derived starch-based biomass containing 20 wt% or less of cellulose components and plant-derived cellulosic biomass containing 20 wt% or less of starch components thermomechanically at a temperature of 100 to 130 ° C. in the presence of a plasticizer It is disclosed to prepare a thermoplastic biomass composite with improved mechanical properties by kneading or mixing.
그러나, 지금까지 연구된 바이오플라스틱의 경우 기계적 물성이 불안전하고, 가격이 기존 플리스틱에 비해 2∼3배 비싸서 상용화에 어려움이 있다. 예를 들어 합성수지에 볏짚, 왕겨, 톱밥 분쇄물과 함께 전분을 첨가시킨 조성물을 이용하여 제조된 일회용 플라스틱 용기가 개시된 바 있다. 그러나 이러한 조성물의 경우 분해성의 개선에는 효과가 있으나, 필름 형태로 제작되는 경우 제조된 필름의 물리적 성질, 특히 초기 신장율과 인장강도가 떨어지는 단점이 있다.However, in the case of bioplastics studied so far, mechanical properties are unstable, and the price is 2-3 times higher than that of conventional plastics, so it is difficult to commercialize them. For example, a disposable plastic container manufactured by using a composition in which starch is added with rice straw, rice husk, and sawdust pulverized material to synthetic resin has been disclosed. However, in the case of such a composition, although it is effective in improving the degradability, when it is produced in the form of a film, there is a disadvantage in that the physical properties of the prepared film, particularly the initial elongation and tensile strength, are inferior.
특허문헌 2는 식용으로 쓰고 남은 비식용계 원료와 티타니아, 지르코니아, 실리카 계열의 바인더를 사용하여 플라스틱과 혼합하여 바이오플라스틱 펠렛을 제조하고 이를 사출하는 구성에 대해서 개시하고 있다. Patent Document 2 discloses a configuration for manufacturing bioplastic pellets and injecting them by mixing with plastic using non-edible raw materials and titania, zirconia, and silica-based binders left after being used for food.
상기 특허문헌 2 및 종래의 기술에 따른 방법으로 제조된 바이오플라스틱은 강도가 불충분하여 식품의 포장용기로 사용하기에 적합하지 않다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 상기 문헌에는 목질계 바이오매스 및/또는 전분계 바이오매스와 같은 바이오플라스틱의 식물체 원료를 압출할 때 필수적으로 발생하는 산화, 탄화, 상분리 등의 문제 및 이들을 해결하기 위한 수단에 대해서는 개시하고 있지 않다. The bioplastic produced by the method according to Patent Document 2 and the prior art has insufficient strength and thus is not suitable for use as a packaging container for food. In addition, in the above document, problems such as oxidation, carbonization, and phase separation that are essentially occurring when extruding plant material of bioplastics such as lignocellulosic biomass and/or starch-based biomass and means for solving them are disclosed and there is not
따라서, 목질계 바이오매스 및/또는 전분계 바이오매스와 같은 식물체 원료의 열변성을 방지하면서 결과된 바이오플라스틱의 강도 저하를 최소화할 수 있는 새로운 바이오플라스틱 제조 방법을 개발하기 위한 연구가 필요하였다. Therefore, there was a need for research to develop a new bioplastic manufacturing method capable of minimizing the decrease in the strength of the resulting bioplastic while preventing thermal denaturation of plant raw materials such as lignocellulosic biomass and/or starch-based biomass.
본 발명자들은 목질계 바이오매스 및/또는 전분계 바이오매스와 같은 식물체 원료를 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 present inventors prevent denaturation due to carbonization, oxidation, etc. of plant biomass due to high process temperature in the process of manufacturing bioplastic by mixing and complexing plant material such as lignocellulosic biomass and/or starch-based biomass with plastic It was attempted to develop a method capable of improving or not lowering the physical properties, including strength, of the obtained bioplastic by performing mixing and complexing while doing so.
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 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 목질계 바이오매스, 전분계 바이오매스 및 중합체를 복합화시킨 후에 압출하여 바이오플라스틱를 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:In order to solve the above problems, the present invention provides a method for manufacturing a bioplastic by complexing and extruding a lignocellulosic biomass, a starch-based biomass and a polymer, the method comprising the steps of:
(단계 1) 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 가소제의 존재 하에 100∼130℃의 온도에서 열기계적으로 혼합 또는 혼련하여, 바이오매스 가소화 복합체를 제조하는 단계;(Step 1) thermomechanically mixing or kneading lignocellulosic biomass and starch-based biomass at a temperature of 100 to 130° C. in the presence of a plasticizer to prepare a biomass plasticization complex;
(단계 2) 상기 바이오매스 가소화 복합체, 중합체 및 결합제를, 80 내지 150℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 1차 저온 분쇄 단계; (Step 2) a first low-temperature grinding step of pulverizing the biomass plasticization composite, polymer, and binder at a temperature of 80 to 150° C. at a high speed of 1000 to 2500 rpm;
(단계 3) 1차 저온 분쇄된 분말을 -20 내지 0℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 2차 냉결 분쇄 단계; 및(Step 3) a secondary cold pulverization step of pulverizing the first low-temperature pulverized powder at a temperature of -20 to 0° C. at a high speed of 1000 to 2500 rpm; and
(단계 4) 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.(Step 4) An extrusion step of supplying the secondary freeze-pulverized powder to a twin-screw extruder having a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more at a constant speed, and extruding while discharging water vapor generated at a temperature of 130 to 170° C. under reduced pressure.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 전분계 바이오매스는, 옥수수전분, 감자전분, 고구마전분, 카사바 전분, 이들의 산화 전분, 양이온 전분, 크로스링키지 전분, 전분 에스테르와 같은 변성 전분 또는 이들의 결합물에서 선택될 수 있는 전분; 또는 식물종자, 줄기, 뿌리, 잎을 분쇄하는 가루, 밀가루, 옥수수가루, 쌀가루, 찹쌀가루, 감자가루, 고구마가루, 카사바가루, 또는 이들의 결합물에서 선택될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the aforementioned starch-based biomass, corn starch, potato starch, sweet potato starch, cassava starch, oxidized starch thereof, cationic starch, cross-linkage starch, modified starch such as starch ester, or a modified starch thereof starch, which may be selected from combinations; Alternatively, it may be selected from plant seeds, stems, roots, and leaf pulverizing powder, wheat flour, corn flour, rice flour, glutinous rice flour, potato flour, sweet potato flour, cassava flour, or a combination thereof.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 목질계 바이오매스는, 왕겨, 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대, 쑥대, 대나무, 목분, 커피박, 대두박, 이들의 혼합물, 또는 이들의 분쇄물로 구성된 군으로부터 선택되거나, 나무섬유, 면섬유, 풀섬유, 갈대섬유, 대나무섬유, 이들의 변성물, 카르복실메틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 에스테르, 셀룰로오스에테르, 또는 그들의 결합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박 또는 이들의 혼합물을 분쇄하여 얻어진 분쇄물을 목질계 바이오매스로서 사용할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the aforementioned lignocellulosic biomass is, rice husk, soybean hull, wheat hull, jade hull, rice husk, wheat bran, reed, mugwort, bamboo, wood flour, coffee hull, soybean meal, mixtures thereof, or these or selected from the group consisting of pulverized products of wood fibers, cotton fibers, grass fibers, reed fibers, bamboo fibers, modified products thereof, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, cellulose esters, cellulose ethers, or combinations thereof may be selected from the group. Preferably, rice husk. Soybean hull, wheat husk, jade hull, rice straw, wheat straw, reed. shy. bamboo. wood flour. A pulverized product obtained by pulverizing coffee meal, soybean meal, or a mixture thereof may be used as lignocellulosic biomass.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 중합체는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 폴리스티렌에서 선택되는 올레핀계 중합체; 비닐계 중합체; 아미드계 중합체; 에스테르계 중합체, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물, 이들의 변성물 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the above-mentioned polymer is an olefin-based polymer selected from polypropylene, polyethylene or polystyrene; vinyl-based polymers; amide-based polymers; It may be at least one selected from the group consisting of ester-based polymers, copolymers thereof, mixtures thereof, modified products thereof, and alloys thereof.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 단계 2에서, 바이오매스 가소화 복합체 20∼50중량부, 중합체 50∼80중량부 및 결합제 1∼5중량부의 양으로 사용할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, in the above-mentioned step 2, it may be used in an amount of 20 to 50 parts by weight of the biomass plasticized composite, 50 to 80 parts by weight of the polymer, and 1 to 5 parts by weight of the binder.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 단계 2에서, 결합제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제 및 지르코늄계 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in step 2 described above, the binder may be 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.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전술한 제조 방법에 의해 제조되어, 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a bioplastic containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass produced by the above-described manufacturing method.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전술한 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱을 사용한 식품 포장 용기를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a food packaging container using the bioplastic containing the above-described lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
본 발명에 따르면, 목질계 및 전분계 바이오매스의 탄화, 산화 등으로 인한 변성을 방지하면서 중합체의 강도를 포함한 물성을 저하시킴이 없이 목질계 및 전분계 바이오매스와 중합체를 혼합 및 복합화하여 바이오플라스틱을 제조할 수 있고, 이로부터 물성이 우수한 친환경 필름, 시트 또는 용기를 제공할 수 있다. According to the present invention, lignocellulosic and starch-based biomass and polymer are mixed and complexed to prevent denaturation due to carbonization, oxidation, etc. of lignocellulosic and starch-based biomass, and the polymer is mixed and complexed without reducing the physical properties including strength of the polymer. can be manufactured, and an eco-friendly film, sheet or container having excellent physical properties can be provided therefrom.
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.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and 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 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 2는 목질계 및 전분계 식물체의 분쇄 및 분급에 일반적으로 사용되는 ACM(Air Classifying Mill)장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 이축 압출기 장비의 구성을 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 이축 압출기의 호퍼, 니더, 다이등의 구성을 보여주는 모식도이다.1 is a schematic diagram of a bio-based plastic by a bonding method, the left side is a schematic diagram of biodegradable plastic in which biomass and plastic are mixed, and the right side is a bio-based plastic in which biomass and plastic are chemically bonded or complexed It is a coupling schematic diagram.
2 is a schematic diagram of an ACM (Air Classifying Mill) apparatus generally used for pulverization and classification of lignocellulosic and starch-based plants.
3 is a schematic diagram showing the configuration of the twin screw extruder equipment that can be used in the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of the hopper, kneader, die, etc. of the twin screw 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, the terms or words used in this specification should not be construed as being unconditionally limited to their ordinary or dictionary meanings, and in order for the inventor of the present invention to describe his 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 herein are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not used for the purpose of specifically limiting the content of the present invention, and these terms represent various possibilities of the present invention. It should be understood that the term has been defined taking into account.
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 the present specification, it should be noted that, unless the context clearly indicates otherwise, the expression in the singular may include a plurality of expressions, and even if it is similarly expressed in plural, it may include the meaning of the singular. 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.When it is stated throughout this specification that a component "includes" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component unless otherwise stated. It could mean that you can.
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.In addition, in the following, in describing the present invention, a detailed description of a configuration determined that may unnecessarily obscure the gist of the present invention, for example, a detailed description of the known technology including the prior art may be omitted.
이하에 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 첫번째 목적은, 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 복합화시킨 후에, 중합체와 다시 복합화시킴으로써 기계적 물성이 우수한 바이오플라스틱를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 하기 단계를 포함한다:A first object of the present invention is to provide a method for producing a bioplastic having excellent mechanical properties by complexing a lignocellulosic biomass and a starch-based biomass and then complexing it with a polymer, comprising the steps of:
(단계 1) 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 가소제의 존재 하에 100∼130℃의 온도에서 열기계적으로 혼합 또는 혼련하여, 바이오매스 가소화 복합체를 제조하는 단계;(Step 1) thermomechanically mixing or kneading lignocellulosic biomass and starch-based biomass at a temperature of 100 to 130° C. in the presence of a plasticizer to prepare a biomass plasticization complex;
(단계 2) 상기 바이오매스 가소화 복합체, 중합체 및 결합제를, 80 내지 150℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 1차 저온 분쇄 단계; (Step 2) a first low-temperature grinding step of pulverizing the biomass plasticization composite, polymer, and binder at a temperature of 80 to 150° C. at a high speed of 1000 to 2500 rpm;
(단계 3) 1차 저온 분쇄된 분말을 -20 내지 0℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 2차 냉결 분쇄 단계; 및(Step 3) a secondary cold pulverization step of pulverizing the first low-temperature pulverized powder at a temperature of -20 to 0° C. at a high speed of 1000 to 2500 rpm; and
(단계 4) 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.(Step 4) An extrusion step of supplying the secondary freeze-pulverized powder to a twin-screw extruder having a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more at a constant speed, and extruding while discharging water vapor generated at a temperature of 130 to 170° C. under reduced pressure.
본 발명의 두 번째 목적은, 상기 제조 방법으로 제조되어, 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱를 제공하는 것이다. A second object of the present invention is to provide a bioplastic prepared by the above production method and containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
본 발명의 세 번째 목적은, 상기 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 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 containing the lignocellulosic biomass and the starch-based biomass, which can be used for packaging food.
이와 관련하여, 도 1은 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. 본 발명에 따라 제조된 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. In this regard, FIG. 1 shows a schematic diagram of a bio-based plastic by a bonding method, the left side is a mixing schematic diagram of a biomass and a polymer mixed biodegradable plastic, and the right side is a biomass and a polymer chemically bonded or complexed It is a schematic diagram of the bonding of bio-based plastics. The bio-based plastic manufactured according to the present invention not only has a dense mechanical bond, but also exhibits excellent physical properties because the biomass and the polymer are chemically bonded or complexed, as shown in the figure on the right of FIG. 2 .
1. 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스1. Wood-based biomass and starch-based biomass
일반적으로, 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. In general, plant biomass is largely edible plant (eg, rice flour, soybean flour, corn starch, potato starch, wheat flour, etc.) and non-edible plant (eg, rice husk, soybean hull, wheat hull, jade hull, rice bran, wheat straw, reed) It is divided into ssukdae, 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 flour and starch, have uniform quality compared to non-edible plants and are more advantageous for mixing or bonding with polymers or high molecular compounds. However, since edible plants are valuable food resources in some countries and regions, the development and use of bioplastics using non-edible plants has recently been recommended.
본 발명은 상술한 식용계 식물체(즉, 전분계 바이오매스) 및 비식용계 식물체(즉, 목질계 식물체)를 둘다 사용하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to use both the above-described edible plants (ie, starch-based biomass) and non-edible plants (ie, woody plants).
전술한 전분계 바이오매스는, 옥수수전분, 감자전분, 고구마전분, 카사바 전분, 이들의 산화 전분, 양이온 전분, 크로스링키지 전분, 전분 에스테르와 같은 변성 전분 또는 이들의 결합물에서 선택될 수 있는 전분; 또는 식물종자, 줄기, 뿌리, 잎을 분쇄한 가루로서, 예를 들면, 밀가루, 옥수수가루, 쌀가루, 찹쌀가루, 감자가루, 고구마가루, 카사바가루, 또는 이들의 결합물과 같은 식물가루에서 선택될 수 있다. The above-mentioned starch-based biomass, corn starch, potato starch, sweet potato starch, cassava starch, oxidized starch thereof, cationic starch, crosslinked starch, starch ester, such as modified starch or a combination thereof; Or a powder obtained by pulverizing plant seeds, stems, roots, and leaves, for example, wheat flour, corn flour, rice flour, glutinous rice flour, potato flour, sweet potato flour, cassava flour, or a combination thereof. can
전술한 목질계 바이오매스는 왕겨, 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대, 쑥대, 대나무, 목분, 커피박, 대두박, 이들의 혼합물, 또는 이들의 분쇄물로 구성된 군으로부터 선택되거나, 나무섬유, 면섬유, 풀섬유, 갈대섬유, 대나무섬유, 이들의 변성물, 카르복실메틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 에스테르, 셀룰로오스에테르, 또는 그들의 결합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, 왕겨. 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대. 쑥대. 대나무. 목분. 커피박, 대두박 또는 이들의 혼합물을 분쇄하여 얻어진 분쇄물을 목질계 바이오매스로서 사용할 수 있다. The above-mentioned lignocellulosic biomass is selected from the group consisting of rice husk, soybean hull, wheat hull, jade hull, rice bran, wheat bran, reed, mugwort, bamboo, wood flour, coffee meal, soybean meal, mixtures thereof, or pulverized products thereof, It may be selected from the group consisting of wood fibers, cotton fibers, grass fibers, reed fibers, bamboo fibers, modified products thereof, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, cellulose esters, cellulose ethers, or combinations thereof. Preferably, rice husk. Soybean hull, wheat husk, jade hull, rice straw, wheat straw, reed. shy. bamboo. wood flour. A pulverized product obtained by pulverizing coffee meal, soybean meal, or a mixture thereof may be used as lignocellulosic biomass.
2. 가소화제2. Plasticizer
본 발명에서 사용할 수 있는 가소제 또는 가소화제는 탄소수 2 내지 22, 특별하게는 탄소수 2 내지 6의 다가 알코올, 바람직하게는 1 내지 20개의 히드록실기를 갖는 다가 알코올, 이들의 에테르, 티오에테르, 유기 에스테르 및 무기 에스테르를 포함할 수 있으며, 구체적으로는, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린, 1,4-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,5-헥산디올, 1,6-헥산디올, 1,2,6-헥산트리올, 1,3,5-헥산트리올, 네오펜틸글리콜, 소르비톨 아세테이트, 소르비톨 디아세테이트, 소르비톨 모노에톡실레이트, 소르비톨 디에톡실레이트, 소르비톨 헥사에톡실레이트, 소르비톨 디프로폭실레이트, 아미노소르비톨, 트리히드록시메틸아미노메탄, 글루코오스/PEG, 에틸렌 옥사이드와 글루코오스의 반응 생성물, 트리메틸올프로판 모노에톡실레이트, 만니톨 모노아세테이트, 만니톨 모노에톡실레이트, 부틸 글루코사이드, 글루코오스 모노에톡실레이트, α-메틸 글루코사이드, 카르복시메틸소비톨의 나트륨염, 폴리글리세롤 모노에톡실레이트, 에리트리톨, 펜타에리트리톨, 아라비톨, 아도니톨, 자일리톨, 만니톨, 이디톨, 갈락티톨, 알리톨, 소르비톨, 폴리하이드릭 알코올, 글리세린의 에스테르, 포름아미드, N-메틸포름아미드, DMSO, 모노- 및 디-글리세라이드, 알킬아미드, 폴리올, 트리메틸올프로판, 3-20개의 반복단위를 갖는 폴리비닐알코올, 2∼10개의 반복단위를 갖는 폴리글리세롤, 및 이들의 유도체에서 선택될 수 있다.The plasticizer or plasticizer usable in the present invention is a polyhydric alcohol having 2 to 22 carbon atoms, particularly a polyhydric alcohol having 2 to 6 carbon atoms, preferably a polyhydric alcohol having 1 to 20 hydroxyl groups, ethers thereof, thioethers, organic It may include esters and inorganic esters, and specifically, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, 1,4-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 1,5 -Pentanediol, 1,5-hexanediol, 1,6-hexanediol, 1,2,6-hexanetriol, 1,3,5-hexanetriol, neopentyl glycol, sorbitol acetate, sorbitol diacetate, sorbitol Monoethoxylate, sorbitol diethoxylate, sorbitol hexaethoxylate, sorbitol dipropoxylate, aminosorbitol, trihydroxymethylaminomethane, glucose/PEG, reaction product of ethylene oxide and glucose, trimethylolpropane monoethoxyl Late, mannitol monoacetate, mannitol monoethoxylate, butyl glucoside, glucose monoethoxylate, α-methyl glucoside, sodium salt of carboxymethyl sorbitol, polyglycerol monoethoxylate, erythritol, pentaerythritol, arabitol , adonitol, xylitol, mannitol, iditol, galactitol, allitol, sorbitol, polyhydric alcohols, esters of glycerin, formamide, N-methylformamide, DMSO, mono- and di-glycerides, alkylamides , polyol, trimethylolpropane, polyvinyl alcohol having 3 to 20 repeating units, polyglycerol having 2 to 10 repeating units, and derivatives thereof.
본 발명에서 사용될 수 있는 계면접착 강화제는 계면 사이의 물리적 또는 화학적 결합을 강화시킬 수 있는 물질을 의미하며, 예를 들면 PCL (폴리카프로락톤) 또는 실란계 가교결합제 등을 언급할 수 있다.The interfacial adhesion strengthening agent that can be used in the present invention means a material capable of strengthening a physical or chemical bond between interfaces, for example, PCL (polycaprolactone) or a silane-based crosslinking agent may be mentioned.
3. 중합체3. 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 means a polymer or high molecular compound used in a general sense, regardless of the shape of vinyl, film, sheet, container, packaging material, injection product, extruded product, etc., used for living, industrial, agricultural and fishing purposes 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, an olefin-based polymer, a vinyl-based polymer, an amide-based polymer, an ester-based polymer, a copolymer thereof, a mixture thereof, a modified product thereof, and an alloy thereof may be mentioned. , specifically, olefin 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-based polymers such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), mixtures thereof, copolymers thereof, modified products thereof, alloys thereof, and the like can be mentioned. Preferably, mention may be made of thermoplastic polymers such as styrene-based, PVC-based, olefin-based, polyester-based, polyamide-based and urethane-based polymers.
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. Polymers not mentioned otherwise can be applied to the method according to the present invention if they can produce eco-friendly bio-based plastics, and it is natural that they can fall within the scope of the present invention.
4. 결합제4. binder
본 발명에 있어서, 결합제는 바이오매스 가소화 복합체와 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 바이오매스 가소화 복합체와 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 the formation of a complex by physically and/or chemically bonding or connecting the biomass plasticization complex and the polymer or high molecular compound, for example, a silane-based coupling agent, titanium-based It may be selected from the group consisting of a coupling agent and 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 biomass plasticization complex and the polymer or high molecular compound.
5. 첨가제5. Additives
본 발명에 따른 바이오플라스틱는 칼슘 스테아레이트와 같은 윤활제, 산화아연과 같은 항균제, 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 antibacterial agent such as zinc oxide, a coating agent such as modified starch, 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 substance that assists in mixing the hydrophilic plant powder into the hydrophobic polymer or high molecular compound due to the surface hydroxyl group, and includes a hydrophobic part (eg alkyl chain) and a hydrophilic part (eg amine) in one compound. salts, lead sulfate, sulfonates, and carboxylates) 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. Long-chain fatty acid salts, such as stearate compounds, specifically calcium stearate, zinc stearate, and the like, can be mentioned as compounds having both a hydrophobic moiety (eg an alkyl chain) and a hydrophilic moiety (eg a salt). These lubricants 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 of the plant and the polymer or high molecular compound. there is.
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 functionality to the bioplastic, and for example, zinc oxide and 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 high molecular compound. there is.
변성 전분은 전분계 바이오매스를 화학적으로 변성시켜 다른 기능 또는 물성을 나타내도록 변성된 전분을 의미하며, 식물체 바이오매스 분말과 중합체 분말의 혼합을 보조하기 위해 첨가된다. 변성 전분은 목질계 및 전분계 바이오매스 및 중합체의 합계량 100중량부를 기준으로 0.1 내지 10중량부 이하, 바람직하게는 0.5 내지 8중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 5중량부의 양으로 사용될 수 있다. 상기 범위보다 과량으로 투입되면 바이오매스와 중합체 매트릭스가 너무 단단하게 혼합되어 원료 이동이 어렵고 너무 적게 투입되면 바이오매스 가소화 복합체 분말과 중합체 매트릭스 사이의 혼합 보조 효과가 잘 나타나지 않는다. Modified starch refers to starch modified to exhibit different functions or properties by chemically modifying starch-based biomass, and is added to aid in mixing of plant biomass powder and polymer powder. The modified starch may be used in an amount of 0.1 to 10 parts by weight or less, preferably 0.5 to 8 parts by weight, more preferably 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of lignocellulosic and starch-based biomass and polymer. If it is added in excess of the above range, the biomass and the polymer matrix are mixed too tightly, making it difficult to move the raw material, and if it is added too little, the mixing aid effect between the biomass plasticized composite powder and the polymer matrix is not well seen.
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 wax is added to coat the plant powder and the polymer powder to facilitate physical mixing of the plant powder and to prevent excessive moisture absorption of the plant powder. As such a wax, PE wax is mainly used. Based on 100 parts by weight of the total amount of the plant body and the polymer or high molecular compound, 0.5 to 5 parts by weight, preferably 1 to 3 parts by weight, more preferably 1.5 to 2.5 parts by weight. 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, 바이오매스 가소화 복합체 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 the biomass plasticization complex, 1 to 10 parts by weight of starch or modified starch, 45 to 75 parts by weight of the polymer, 1 to 2 parts by weight of the binder, and the remaining amount of additives may be used. there is.
6. 가소화 단계6. Plasticization step
본 발명의 단계 1에서, 전술한 전분계 바이오매스 및 목질계 바이오매스는 가소제의 존재 하에 열기계적(thermomechanical)으로 혼합 또는 혼련하여, 예를 들면, 100 내지 150℃, 구체적으로 105 내지 140℃, 바람직하게는 110 내지 120℃의 온도에서 이축 압출기로 압출함으로써 열가소성 바이오매스 복합체가 제조될 수 있다. In step 1 of the present invention, the aforementioned starch-based biomass and lignocellulosic biomass are thermomechanically mixed or kneaded in the presence of a plasticizer, for example, 100 to 150 ° C., specifically 105 to 140 ° C., Preferably, the thermoplastic biomass composite can be prepared by extruding with a twin-screw extruder at a temperature of 110 to 120 °C.
전술한 열기계적 혼합 또는 혼련 동안, 바이오매스의 전분 성분들이 가소화될 뿐만 아니라, 이축압출기의 전단력 하에서 바이오매스 알갱이는 더욱 미세하게 분쇄되고 분자들에서는 해중이 일어나면서, 전체적으로 균일한 용융체로 만들어진다. 본 발명의 유리한 이점 중의 하나로서, 상기 결과된 혼합물은 혼화성(miscible) 블렌드이며, 단일 유리전이 온도 및 균일한 상태를 가질 수 있다. 전술한 혼화성 블렌드의 균일성은 전자현미경에 의해서 확인될 수 있다. During the thermomechanical mixing or kneading described above, not only the starch components of the biomass are plasticized, but also the biomass grains are more finely pulverized under the shear force of the twin-screw extruder, and dewatering occurs in the molecules, resulting in a homogeneous melt as a whole. As one of the advantageous advantages of the present invention, the resulting mixture is a miscible blend and can have a single glass transition temperature and a homogeneous state. The uniformity of the aforementioned miscible blends can be confirmed by electron microscopy.
전술한 전분계 바이오매스는 수소 결합을 바탕으로 하여 입자상을 이루고 있으며, 글루코스 단위에 붙어 있는 수산기로 인하여 수분 흡착성이 뛰어난 친수성의 물질이기에 수분의 자체함량이 10∼13%로 열을 가하여도 흐름성이 나타나지 않으며 약 220℃ 범위에 탄화 현상 발생되며 고분자간의 결합이 되지 않고 한 빈약한 계면 접착력 때문에 기계적 물성이 떨어진다. 이를 해결하기 위하여, 셀룰로오스계 바이오매스를 일정 비율로 혼합하여 결합과 탄화현상을 방지하며, 알칼리에 강하고, 화학약품에 대한 저항성도 있고, 미생물에도 침식당하지 않는 기능을 추가할 수 있다.The above-mentioned starch-based biomass is in the form of particles based on hydrogen bonding, and because of the hydroxyl group attached to the glucose unit, it is a hydrophilic material with excellent water adsorption properties. does not appear, and carbonization occurs in the range of about 220°C, and there is no bonding between polymers, and mechanical properties are poor due to poor interfacial adhesion. In order to solve this, a function of preventing bonding and carbonization by mixing cellulosic biomass in a certain ratio, strong in alkali, resistance to chemicals, and not erosion by microorganisms can be added.
일반적으로, 수분은 수지 자체의 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, moisture is known to play a role in weakening the physical properties of the resin itself. In the case of non-edible plants, they absorb moisture while they are wet or stored after harvest. Such moisture later becomes an important cause of lowering the physical properties of the bioplastic.
비식용계 원료인 왕겨, 대두피, 옥피, 소맥피를 ACM(Air Classifying Mill) 등을 이용하여 분쇄하고 있다.Non-edible raw materials such as rice husk, soybean hull, jade hull, and wheat hull are pulverized using 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 plant was dried with hot air at 100±5°C for 30 minutes to remove moisture using a dryer, for example, a cylindrical rotary dryer (model name: D560, manufacturer: Hwain Machinery, Wonju, Korea). The pulverized particles are small and porous, so they always retain moisture. This moisture is an important factor affecting the physical properties of bio-based plastics. Therefore, the pulverized plant is preferably dried until the moisture content is 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 hull, wheat husk, jade hull, rice straw, wheat straw, reed. shy. bamboo. wood flour. Coffee meal, soybean meal, cellulose, etc. may be exemplified, and it is preferable to mainly use rice husk, jade skin, wheat skin, and the like. These non-edible plants may be used alone, or two or more kinds of plants, specifically, two to four kinds of plants may be mixed and used.
본 발명에 있어서, 바이오플라스틱의 제조 시에, 바이오매스 가소화 복합체분말을 먼저 만들고, 수분을 최대한 제거한 다음에, 중합체 또는 고분자 화합물로 된 매트릭스 내에 혼입된다. 전분계 바이오매스 및 목질계 바이오매스를 가소화시킨 복합체 분말로 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, a biomass plasticizing composite powder is first made, moisture is removed as much as possible, and then incorporated into a matrix made of a polymer or a high molecular compound. Although the method of making the starch-based biomass and the lignocellulosic biomass into a plasticized composite powder and the powder particle size are not strictly limited, it is usually pulverized and classified into 200 to 400 mesh using an ACM grinder or the like.
도 2는 비식용계 식물체의 분쇄 및 분급에 일반적으로 사용되는 ACM(Air Classifying Mill)장치의 모식도를 보여준다. 입도가 200메쉬 이하일 경우, 입자가 너무 크기 때문에 고분자와 고분자간의 결합이 멀어져 늘어지게 되며 이러한 문제로 인해 물성이 약해지게 된다. 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. Figure 2 shows a schematic diagram of an ACM (Air Classifying Mill) device generally used for pulverizing and classifying non-edible plants. When the particle size is 200 mesh or less, the bonding between the polymer and the polymer is farther away because the particles are too large, and the physical properties are weakened due to this problem. When the particle size is 400 mesh or less, the portion that affects the plastic properties is reduced and better properties can be exhibited.
본 발명에 있어서, 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스는 둘다 100∼200메쉬의 입도 및 5∼6%의 수분함량을 가지도록 건조하여, 본 발명의 단계 1(바이오매스 가소화 복합체의 제조 단계)에 투입하고 후속하는 단계 2(1차 저온 분쇄 단계)에서 사용하는 것이 바람직하다. 식물체를 5∼6% 보다 낮은 수분함량으로 분쇄 및 건조하여도, 공기 중에서 이송 및 보관하는 과정에서 수분을 흡수하여 수분함량이 8∼10%까지 증가될 수 있으므로, 단계 1 및 단계 2에 투입되는 식물체 분말의 수분 함량은 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 다만, 복합체 제조 단계에 도입되는 식물체가 너무 많은 수분을 함유하면, 복합화 단계에서 공정 시간 및 에너지가 많이 소요될 뿐만 아니라, 1차 저온 분쇄2)에서 중합체와의 결합에 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 범위의 수분 함량을 갖도록 건조하는 것이 바람직하다.In the present invention, both lignocellulosic biomass and starch-based biomass are dried to have a particle size of 100 to 200 mesh and a moisture content of 5 to 6%, and step 1 of the present invention (production of biomass plasticization complex) ) and used in the subsequent step 2 (first low-temperature grinding step). Even if the plant body is pulverized and dried to a moisture content lower than 5-6%, the moisture content can be increased to 8-10% by absorbing moisture in the process of transport and storage in the air. The moisture content of the plant powder can be selected from a wide range. However, if the plant body introduced into the complex manufacturing step contains too much moisture, not only takes a lot of processing time and energy in the complexing step, but also causes a problem in binding to the polymer in the first low-temperature grinding 2), so the above range It is preferable to dry it to have a moisture content of
7. 1차 저온 분쇄 및 2차 냉결 분쇄7. Primary low-temperature grinding and secondary cold grinding
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 분말 상태의 바이오매스 가소화 복합체 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 바이오매스 가소화 복합체 및 분말 상태의 중합체가 결합되어 있는 복합체 분말을 제공할 수 있다. According to one aspect of the present invention, the present invention introduces a biomass plasticization composite in a powder state and a polymer in a powder state together with a binder and an additive into a grinder, and 1 in a high-speed rotation or high-speed circulation method at a temperature of 80 to 150 ° C. Low-temperature grinding with tea (step 1), rapid cooling of the obtained mixture to a temperature of -20 to -5° C., and secondary cold grinding with high-speed rotation or high-speed circulation while maintaining this temperature (step 2), It is possible to provide a composite powder in which a mass plasticized composite and a polymer in a powder state are combined.
7-1. 1차 저온 분쇄7-1. 1st low temperature grinding
본 발명에 따른 1차 저온 분쇄 단계(단계 1)는, 70 내지 140℃의 비교적 낮은 온도에서 통상적으로 사용되는 회전식 분쇄기, 충격식 분쇄기 또는 기류식 분쇄기를 사용하여 800 내지 2000rpm, 바람직하게는 1000 내지 1800rpm, 더욱 바람직하게는 1200 내지 1500rpm의 속도에서 수행될 수 있다.The first low-temperature grinding step (step 1) according to the present invention is 800 to 2000 rpm, preferably 1000 to 2000 rpm, using a rotary mill, impact mill or air flow mill commonly used at a relatively low temperature of 70 to 140 ° C. It may be carried out at a speed of 1800 rpm, more preferably 1200 to 1500 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 a rotary mill is used, the blade or disk is rotated at the above speed, and when an impact mill is used, the powder particles are circulated at the speed and collided with the impact plate. This is done by circulating the blades together with the airflow at this speed and impinging on the blades attached to the wall. Accordingly, the speed means the rotation speed of blades in the rotary mill, the number of collisions on the impact plate in the impact mill, and the circulation speed of the air flow in the airflow mill.
회전 및 순환 속도가 상기 범위보다 낮으면 바이오매스 가소화 복합체 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 rates are lower than the above ranges, the binding of the biomass plasticized composite powder and the polymer powder is insufficient, and there is a risk of particle separation in the subsequent freeze drying and extrusion steps. There is a risk of damage or excessive heat generation.
본 발명에 따른 1차 저온 분쇄(단계 2)는, 일반적으로 70 내지 140℃의 온도 범위 내에서, 바람직하게는 90 내지 140℃의 온도 범위 내에서, 더욱 바람직하게는 중합체의 용융점 이하의 온도에서, 특별하게는 중합체의 열변형 온도보다 높으면서 연화점 부근의 온도에서 선택할 수 있다.The primary low-temperature grinding (step 2) according to the present invention is generally performed within a temperature range of 70 to 140° C., preferably within a temperature range of 90 to 140° C., more preferably at a temperature below the melting point of the polymer. , in particular, 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 바이오매스 가소화 복합체 분말과 중합체 분말의 기계적 결합력이 더욱 향상될 수 있다. 이때, 식물체 분말이 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 가소화 및 복합화하여 얻어진 것이므로, 1차 저온 분쇄 온도를 목질계 바이오매스 분말을 단독으로 사용할 때보다 대략 5∼15℃ 낮게 설정할 수 있다. In the present invention, by performing the first low-temperature pulverization at a temperature near the softening point of the polymer while higher than the heat deflection temperature of the polymer, the mechanical bonding strength of the biomass plasticized composite powder and the polymer powder can be further improved. At this time, since the plant powder is obtained by plasticizing and complexing lignocellulosic biomass and starch-based biomass, the primary low-temperature grinding temperature can be set approximately 5 to 15 ° C lower than when lignocellulosic biomass powder is used alone.
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, 140℃까지의 높은 온도에서 고속 회전 또는 순환함으로써 식물체 분말과 중합체 분말이 물리적으로 결합 또는 응집될 수 있다는 점이다. One of the advantages obtained by performing the primary low-temperature grinding according to the present invention in a manner of high-speed rotation or high-speed circulation in a collision type or rotary crusher is that even when the softening point of the polymer is higher than the above range, high temperature up to 140°C The point is that the plant powder and the polymer powder can be physically combined or aggregated by high-speed rotation or circulation in the .
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, the 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. High-density polyethylene (HDPE) 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, 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. It can be carried out at °C.
본 발명에 있어서, 1차 저온 분쇄 후에 바이오매스 가소화 복합체 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, the biomass plasticization composite and polypropylene may be mechanically combined or aggregated to obtain a granular mixture. They have a particle size of approximately 100 to 200 microns, but the particle size distribution is very wide, making it difficult to specify an exact size. The obtained granular mixture can be used as such in the secondary cold grinding step.
7-2. 2차 냉결 분쇄7-2. Secondary Cold Grinding
본 발명에 따른 2차 냉결 분쇄(단계 3)는 -30 ℃ 내지 0℃의 저온에서 800 내지 2000rpm의 속도로, 일반적인 냉결분쇄기 또는 동결분쇄기를 사용하여 수행될 수 있다.The secondary freeze grinding (step 3) according to the present invention may be performed at a low temperature of -30 ° C. to 0 ° C. at a speed of 800 to 2000 rpm, using a general cold grinder or freeze grinder.
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 grinding and freeze grinding use cryogenic refrigerants such as liquefied air or liquid nitrogen, but cold grinding is performed at a low temperature of -50 °C to 0 °C, and freeze grinding is performed at a cryogenic temperature of -150 °C to -50 °C. It can be divided into performing a pulverization process, and in some cases, cold pulverization is also referred to as low-temperature pulverization.
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 freeze grinder or freeze grinder may perform grinding in a rotary, impact, or airflow type. If the rotation and circulation speed in the freeze grinding is lower or higher than the above range, the removal of moisture is not sufficient, and the grafting of the plant and the polymer is insufficient, and there is a risk of component separation in the subsequent extrusion step.
본 발명에 따른 2차 냉결 분쇄 단계(단계 3)는, 일반적으로 -30 내지 0℃, 바람직하게는 -20 내지 -5℃의 온도 범위 내에서, 더욱 바람직하게는 -15 내지 -10℃의 온도에서, 800 내지 2000rpm, 바람직하게는 1000 내지 1800rpm, 더욱 바람직하게는 1200 내지 1500rpm의 속도(회전속도 또는 순환속도)로 수행될 수 있다.The secondary cold grinding step (step 3) according to the present invention is generally within a temperature range of -30 to 0°C, preferably -20 to -5°C, more preferably a temperature of -15 to -10°C. In, 800 to 2000 rpm, preferably 1000 to 1800 rpm, more preferably 1200 to 1500 rpm may be performed at a speed (rotational speed or circulation speed).
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. When the freezing temperature is lower than the above range, aggregation or bonding of particles is delayed even by high-speed rotation or circulation, and when the freezing temperature is higher than the above range, the effect of freezing grinding cannot be sufficiently obtained.
본 발명에 있어서, 상기 2차 냉결 분쇄 후에, 바이오매스 가소화 복합체, 임의의 변성 전분 및 중합체 등의 원료들은 기계적 결합 및 그래프트화에 의해 복합화되어 분말 형태의 복합체로 얻어진다.In the present invention, after the secondary cold pulverization, raw materials such as biomass plasticized composite, optional modified starch and polymer 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, and more preferably about 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 freeze-pulverized powder has a sufficiently low moisture content that it does not need to undergo an additional drying process, and the moisture content is generally 3% by weight or less, preferably 1% by weight. Hereinafter, more preferably, it may be around 0.3% by weight.
8. 압출 및 압출장치8. 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 secondary freeze-pulverized 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 freeze-pulverized powder may be fed into the extruder through a feeder through a hopper, and it is preferable to feed 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 temperature control difficult, and the thickness of the strand at the outlet is not constant or the cause of the breakage 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 the bioplastic, thereby increasing the likelihood of carbonization occurring. 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 method for producing bioplastics uses a twin-screw extruder having a length-to-diameter ratio of usually 50 or less, usually 48, and performs the extrusion process at a temperature of 180 to 230 ° C. was difficult to prevent. However, in the present invention, by using a twin-screw extruder having a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 to 120, preferably 65 to 100, more preferably 70 to 90, particularly around 72, 130 to 170 Extrusion could be performed at a relatively low temperature of ℃, 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 the 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, 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. By providing a reduced-pressure vacuum through the exhaust hole, water vapor generated during extrusion can be removed, thereby reducing bubbles generated in bioplastics, and bubbles generated in injection products such as food packaging containers in the subsequent injection process. can prevent Even if moisture is sufficiently removed before extrusion, moisture in the air is absorbed during storage and transport of raw materials, so it is important to remove moisture during extrusion.
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 circular or square shape with an appropriate thickness, for example, 1-3 mm, preferably 1.5-2.5 mm. At this time, the temperature of the die may be set 30 to 80° C. higher than the extrusion temperature. It instantaneously applies high temperature to the strands passing through the die, thereby smoothing the strand's surface.
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 is cooled by an air-cooling or water-cooling method similarly to general extrusion, and cut to an appropriate length, for example, 2-5 mm, to prepare a masterbatch. The obtained masterbatch is preferably stored in an airtight container.
도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 압출기 장비의 구성을 보여주는 모식도이고, 도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 압출기의 호퍼, 니더, 다이 등의 구성을 보여주는 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of the extruder equipment that can be used in the present invention, Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of the hopper, kneader, die, etc. of the extruder that can be used in the present invention.
9. 마스터배치 및 이를 사용한 필름, 쉬트 또는 용기의 제조9. Preparation of masterbatch and film, sheet or container using 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 be produced in the form of a film, sheet or container by extrusion or injection as such.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오플라스틱를 마스터배치로 사용하여 다른 바이오매스 가소화 복합체를 함유하는 마스터배치 또는 바이오매스 가소화 복합체를 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 masterbatch and mixed with a masterbatch containing another biomass plasticization complex or a polymer that does not contain a biomass plasticization complex to produce a desired product, For example, it may be manufactured in the form of a film, sheet, or container by extrusion or injection, or the like. They can be used as food packaging materials or food packaging containers, preferably food packaging containers.
바이오매스 가소화 복합체 바이오플라스틱는 이의 제조에 사용된 식물체 또는 식물체 혼합물의 특성에 따라 각각 독특한 물성을 가질 수 있다. 예를 들면, 목질계 바이오매스로서 왕겨-함유 바이오플라스틱은 높은 압축강도를, 옥피-함유 바이오플라스틱과 대두피-함유 바이오플라스틱는 중간 압축강도를, 소맥피-함유 바이오플라스틱는 가장 약한 압축강도를 가지고 있다.Biomass plasticization composite bioplastics may each have unique physical properties depending on the characteristics of the plant or plant mixture used for its preparation. For example, as lignocellulosic biomass, rice husk-containing bioplastic has high compressive strength, jade hull-containing bioplastic and soybean hull-containing bioplastic have medium compressive strength, and wheat hull-containing bioplastic has the weakest compressive strength. .
반면에, 목질계 바이오매스로서 소맥피를 함유하는 바이오플라스틱의 경우 굽힘강도가 매우 좋으며 표면의 매끄러움이 좋다.On the other hand, in the case of a bioplastic containing wheat blood as a woody biomass, 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 for 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, 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 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 prepared according to the present invention are manufactured using only bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass, the total biomass content is approximately 20 to 50% by weight. When it is prepared by appropriately mixing a polymer that does not contain a plant, it is preferable to properly 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 in more detail, 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
제조예 1: 바이오매스 가소화 복합체의 제조Preparation Example 1: Preparation of biomass plasticization complex
전분계 바이오매스로서 전분 60중량부, 목질계 바이오매스로서 셀룰로오스 섬유 35중량부, 가소제(소르비톨) 3중량부 및 계면접착 강화제(PCL) 2중량부를 이축 압출기에 도입하고, 각 구간(T1-T6)의 온도를 110±2℃, 115±2℃, 115±2℃, 115±2℃, 110±2℃, 110±2℃로 제어하여 혼련 및 압출 공정을 수행하였다.60 parts by weight of starch as a starch-based biomass, 35 parts by weight of cellulose fiber as a lignocellulosic biomass, 3 parts by weight of a plasticizer (sorbitol) and 2 parts by weight of an interfacial adhesion strengthening agent (PCL) are introduced into the twin-screw extruder, and each section (T1-T6 ) was controlled to 110±2℃, 115±2℃, 115±2℃, 115±2℃, 110±2℃, 110±2℃ to perform kneading and extrusion processes.
압출된 열가소성 바이오매스 복합체를 절단하여 펠렛 (직경 약 05cm, 길이 2∼3cm) 형태로 수득하였다. 압출된 열가소성 바이오매스 복합체는 용융흐름지수 0.92 g/10분(ASTM D1238), 비중 0.95 (ASTM D792), 인장강도 48 kgf/cm2 (ASTM D638), 굴곡탄성율 10,100 kgf/cm2 (ASTM D790) 및 IZOD 충격강도 1.45 kgf·cm/cm2 (ASTM D256)이었다. The extruded thermoplastic biomass composite was cut and obtained in the form of pellets (diameter of about 05 cm, length of 2-3 cm). The extruded thermoplastic biomass composite had a melt flow index of 0.92 g/10 min (ASTM D1238), a specific gravity of 0.95 (ASTM D792), a tensile strength of 48 kgf/cm 2 (ASTM D638), and a flexural modulus of 10,100 kgf/cm 2 (ASTM D790) and IZOD impact strength of 1.45 kgf·cm/cm 2 (ASTM D256).
제조예 2:가소화 복합체의 제조Preparation Example 2: Preparation of plasticized composite
목질계 바이오매스로서 비식용계 식물체인 왕겨 분말을 분쇄기(모델: KH-1000; 제조사: ㈜한국분체기계)에 도입하고 입도 200㎛로 분쇄하였다. As lignocellulosic biomass, rice husk powder, a non-edible plant, was introduced into a grinder (model: KH-1000; manufacturer: Korea Powder Machinery Co., Ltd.) and pulverized to a particle size of 200 μm.
목질계 바이오매스로서 상기 왕겨 분말 100 중량부 및 전분계 바이오매스로서 전분 30 중량부을 사용하는 것을 제외하고는 제조예 1에서와 동일하게 수행하여, 열가소성 바이오매스 복합체를 제조하였다. A thermoplastic biomass composite was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that 100 parts by weight of the rice hull powder as the lignocellulosic biomass and 30 parts by weight of starch as the starch-based biomass were used.
실시예 1: 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조Example 1: Preparation of bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass
제조예 1에서 수득된 열가소성 바이오매스 복합체 130중량부, 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. 130 parts by weight of the thermoplastic biomass composite obtained in Preparation Example 1, 200 parts by weight of polypropylene, 3 parts by weight of calcium stearate, and 3 parts by weight of PE-Wax to a blade grinder (Model: KH-1000; Manufacturer: Korea Powder Machinery) It was introduced and first crushed for 30 minutes at a temperature of 130-135° 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 primary pulverized powder is subjected to an ultra-fine low-temperature grinder (model name: HKP-30, manufacturer: Korea Energy Technology) consisting of a raw material cooling unit, a supply unit, a grinding unit, a product collection unit, a cold heat (excess heat) recovery unit, a refrigerant supply unit, a control unit, etc. ) and cooled to -10°C, followed by high-speed stirring at 1500-2000 rpm for 30 minutes.
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 Industrial Co., Ltd.) 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 not to exceed 140° C., allowing rise to 160° C. in the final zone and die. 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 strands discharged from the extruder were cooled by air cooling, and the cooled strands were cut to 2-3 mm in length using a cutting machine to prepare bioplastics in the form of masterbatch chips. At this time, the strand was cut to a length of 2 to 4 mm while appropriately adjusting the pulling force so as not to break the strand according to the strand discharge speed in the cutter.
마스터배치 칩 형태로 얻어진 바이오플라스틱에서 바이오매스 함량은 대략 38%(중량기준)이었고, 탄화 현상 및 끊김 현상은 관찰되지 않았다. In the bioplastic obtained in the form of a masterbatch chip, the biomass content was about 38% (by weight), and no carbonization and breakage were observed.
실시예 2: 목질계 바이오매스로서 왕겨 및 전분계 바이오매스로서 전분을 사용한 바이오플라스틱의 제조Example 2: Preparation of bioplastics using rice husk as lignocellulosic biomass and starch as starch-based biomass
제조예 2에서 수득된 바이오매스 가소화 복합체 130중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 유사하게 진행하여, 바이오플라스틱을 마스터태치 칩 형태로 제조하였다. In the same manner as in Example 1, except that 130 parts by weight of the biomass plasticization complex obtained in Preparation Example 2 was used, a bioplastic was prepared in the form of a mastertatch chip.
결과된 바이오플라스틱 마스터배치 칩에서 바이오매스 함량은 대략 34%(중량기준)이었고, 탄화 현상 및 끊김 현상은 관찰되지 않았다. In the resulting bioplastic masterbatch chip, the biomass content was approximately 34% (by weight), and carbonization and breakage were not observed.
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 in Example 1, the same procedure as in Example 1 was carried out to prepare a bioplastic in the form of a masterbatch chip.
결과된 바이오플라스틱에서 탄화 현상 및/또는 끊김 현상이 관찰되었다. Carbonization and/or breakage were observed in the resulting bioplastic.
상기 실시예 1∼2 및 비교예 1∼2에서 볼 수 있듯이, 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 Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, controlling the temperature inside the extruder not to exceed 170° C. while maintaining it at 130° C. or higher was the most important for preventing carbonization and preventing strand breakage.
실시예 1에서 압출기 내부의 온도는 전반적으로 130 내지 160℃ 사이에서 제어되었다. 이렇게 제어된 온도에서 제조된 바이오플라스틱 스트랜드에서는 식물체(목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스)가 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. Carbonization of plants (woody biomass and starch-based biomass) was not observed in the bioplastic strands prepared at such a controlled temperature, 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(목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스)가 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 exceeded this and reached 180°C. In the bioplastic produced in this way, it was confirmed that not only the carbonization of plants (woody biomass and starch-based biomass) but also the phenomenon of 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 extruder temperature 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 strands was observed.
실시예 3: 목질계 바이오매스로서 소맥피 분말을 사용한 바이오플라스틱Example 3: Bioplastic using wheat flour powder as lignocellulosic biomass
소맥피 50중량부 및 전분 50중량부를 사용하는 것을 제외하고는 제조예 1에서와 동일하게 진행하여, 열가소성 바이오매스 복합체 100중량부를 수득하였다. 100 parts by weight of a thermoplastic biomass composite was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that 50 parts by weight of wheat flour and 50 parts by weight of starch were used.
상기 열가소성 바이오매스 복합체 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. It proceeded in the same manner as in Example 1, except that 400 parts by weight of polypropylene, 60 parts by weight of starch, 3 parts by weight of calcium stearate, and 3 parts by weight of PE-Wax were used with respect to 100 parts by weight of the thermoplastic biomass composite. The biomass content in the obtained masterbatch was approximately 28% (by weight).
압출기 내부의 온도는 전반적으로 대략 120∼140℃로 유지되었는데, 이렇게 제조된 바이오플라스틱에서는 식물체가 탄화된 현상이 관찰되지 않았고 스트랜드는 끊김이 없이 연속적으로 배출되었다. The temperature inside the extruder was generally maintained at about 120 to 140 ° C. In the bioplastic produced in this way, carbonization of the plant was not observed, and the strand was continuously discharged without interruption.
지금까지 본 발명에 따른 목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 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.Specific examples of the method for producing a bioplastic containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass according to the present invention, the bioplastic produced thereby, and a film, sheet or container using the same have been described, but the present invention It is evident that various implementation modifications are possible within the limits not departing from the scope of
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 should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.
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 restrictive, 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; All changes or modifications derived from the concept of equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (10)
(단계 2) 상기 바이오매스 가소화 복합체, 중합체 및 결합제를, 80 내지 150℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 1차 저온 분쇄 단계;
(단계 3) 1차 저온 분쇄된 분말을 -20 내지 0℃의 온도에서 1000 내지 2500 rpm의 고속으로 분쇄하는 2차 냉결 분쇄 단계; 및
(단계 4) 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,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
(Step 1) thermomechanically mixing or kneading lignocellulosic biomass and starch-based biomass at a temperature of 100 to 130° C. in the presence of a plasticizer to prepare a biomass plasticization complex;
(Step 2) a first low-temperature pulverization step of pulverizing the biomass plasticization complex, the polymer and the binder at a temperature of 80 to 150° C. at a high speed of 1000 to 2500 rpm;
(Step 3) a secondary cold grinding step of grinding the first low-temperature pulverized powder at a temperature of -20 to 0° C. at a high speed of 1000 to 2500 rpm; and
(Step 4) an extrusion step of supplying the secondary freeze-pulverized powder to a twin-screw extruder having a length-diameter ratio (LD ratio) of 60 or more at a constant speed, and extruding while discharging water vapor generated at a temperature of 130 to 170° C. under reduced pressure; containing,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
전술한 전분계 바이오매스는, 옥수수전분, 감자전분, 고구마전분, 카사바 전분, 이들의 산화 전분, 양이온 전분, 크로스링키지 전분, 전분 에스테르와 같은 변성 전분 또는 이들의 결합물에서 선택될 수 있는 전분; 또는 식물종자, 줄기, 뿌리, 잎을 분쇄하는 가루, 밀가루, 옥수수가루, 쌀가루, 찹쌀가루, 감자가루, 고구마가루, 카사바가루, 또는 이들의 결합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The above-mentioned starch-based biomass, corn starch, potato starch, sweet potato starch, cassava starch, oxidized starch thereof, cationic starch, crosslinked starch, starch ester, such as modified starch or a combination thereof; Or plant seeds, stems, roots, and leaves, flour, corn flour, rice flour, glutinous rice flour, potato flour, sweet potato flour, cassava flour, or a combination thereof, characterized in that selected from,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
전술한 목질계 바이오매스는, 왕겨, 대두피, 소맥피, 옥피, 볏집, 밀대, 갈대, 쑥대, 대나무, 목분, 커피박, 대두박, 이들의 혼합물, 또는 이들의 분쇄물; 나무섬유, 면섬유, 풀섬유, 갈대섬유, 대나무섬유, 이들의 변성물, 카르복실메틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 에스테르, 셀룰로오스에테르, 및 그들의 결합물;로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The aforementioned lignocellulosic biomass may include rice husk, soybean hull, wheat hull, jade hull, rice hull, wheat bran, reed, mugwort, bamboo, wood flour, coffee hull, soybean meal, mixtures thereof, or a pulverized product thereof; Wood fiber, cotton fiber, grass fiber, reed fiber, bamboo fiber, modified products thereof, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, cellulose ester, cellulose ether, and combinations thereof; characterized in that selected from the group consisting of;
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
상기 중합체는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 폴리스티렌에서 선택되는 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,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
The polymer is an olefin-based polymer selected from polypropylene, polyethylene or polystyrene; vinyl-based polymers; amide-based polymers; 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,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
전술한 단계 1에서,
바이오매스 가소화 복합체는 전분계 바이오매스 20∼80중량부 및 목질계 바이오매스 20∼80중량부를 가소제 1 내지 10중량부의 존재 하에 100∼130℃의 온도에서 열기계적으로 혼합 또는 혼련한 것임을 특징으로 하는,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
In step 1 described above,
Biomass plasticization complex is characterized by thermomechanically mixing or kneading 20 to 80 parts by weight of starch-based biomass and 20 to 80 parts by weight of lignocellulosic biomass at a temperature of 100 to 130° C. in the presence of 1 to 10 parts by weight of plasticizer doing,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
전술한 단계 1에서,
바이오매스 가소화 복합체는 수분 함량 5% 이하로 제어되는 것을 특징으로
하는,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
In step 1 described above,
The biomass plasticization complex is characterized in that the water content is controlled to 5% or less.
doing,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
전술한 단계 2에서,
바이오매스 가소화 복합체 20∼50중량부, 중합체 50∼80중량부 및 결합제 1∼5중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
In step 2 described above,
It is characterized in that it is used in an amount of 20 to 50 parts by weight of the biomass plasticization complex, 50 to 80 parts by weight of the polymer, and 1 to 5 parts by weight of the binder,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
전술한 단계 2에서,
결합제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제 및 지르코늄계 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
목질계 바이오매스 및 전분계 바이오매스를 함유하는 바이오플라스틱의 제조 방법.
The method of claim 1,
In step 2 described above,
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,
A method for producing bioplastics containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
A bioplastic produced by the method according to any one of claims 1 to 8, and containing lignocellulosic biomass and starch-based biomass.
Priority Applications (1)
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KR1020200130184A KR20220046912A (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Method of preparing bioplastics comprising lignocellulosic biomass and starch biomass, bioplastics parepared thereby, and film, sheet or container using the same |
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KR1020200130184A KR20220046912A (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Method of preparing bioplastics comprising lignocellulosic biomass and starch biomass, bioplastics parepared thereby, and film, sheet or container using the same |
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KR20240027541A (en) | 2022-08-23 | 2024-03-04 | 경상국립대학교산학협력단 | Composition for eco-friendly packaging and manufacturing method thereof |
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KR20150092949A (en) | 2014-02-06 | 2015-08-17 | 동국대학교 산학협력단 | Method of preparing plant bio plastic pellet and mold product using nonedible material |
KR20190021961A (en) | 2017-08-24 | 2019-03-06 | 김광철 | Carbon-neutral bio-based plastics with enhanced mechanical properties, thermoplastic biomass composite used for preparing the same and methods for preparing them |
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Patent Citations (2)
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KR20150092949A (en) | 2014-02-06 | 2015-08-17 | 동국대학교 산학협력단 | Method of preparing plant bio plastic pellet and mold product using nonedible material |
KR20190021961A (en) | 2017-08-24 | 2019-03-06 | 김광철 | Carbon-neutral bio-based plastics with enhanced mechanical properties, thermoplastic biomass composite used for preparing the same and methods for preparing them |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024010186A1 (en) * | 2022-07-05 | 2024-01-11 | 삼성전자 주식회사 | Plastic composite material comprising coffee grounds and method for preparing same, and product using same and characteristics of product |
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