농산부산물인 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피를 이용한 산화생분해 바이오플라스틱 필름 개발 Development of Oxo-biodegradable Bio-plastics Film Using Agricultural By-product such as Corn Husk, Soybean Husk, Rice Husk and Wheat Husk원문보기
식물로부터 유래하는 바이오매스를 25% 이상 함유하는 바이오 베이스 플라스틱은 탄소배출을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 산화생분해 첨가제를 추가 적용하면 폐기 후에는 미생물에 의해 생분해(Biodegradable)되기 때문에 친환경적인 소재이다. 본 연구에서는 폴리에틸렌에 산화생분해 첨가제, 4종류 식물체 바이오매스, 불포화 지방산, 구연산을 첨가하여 생분해성 및 물성변화를 관찰하였다. 초기 신장율과 인장강도 등의 물성이 우수한 자연에 분해되는 바이오 플라스틱 필름을 제조하여 식품포장재로서의 제품 안전성을 시험하였다. 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피의 식물체를 Air classifying mill로 분체한 후, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 기타 첨가제를 고속혼합기에서 혼합한 후, 호퍼에 투입한 다음 용융혼합하면서 다이스로 압출하여 4 가지 다른 형태의 두께 $50{\mu}m$의 바이오 필름을 제조하였다. 기계적 물성으로 인장강도 및 신장율을 측정하였으며, 생분해 실험을 실시하였다. 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피로 제조된 필름 중 소맥피로 제조된 필름의 인장강도 및 신장율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 산화생분해 시험방법에 의해 45일간 생분해 테스트를 한 결과 표준물질인 셀룰로오스 분말 대비 51.5%의 생분해를 나타내었다.
식물로부터 유래하는 바이오매스를 25% 이상 함유하는 바이오 베이스 플라스틱은 탄소배출을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 산화생분해 첨가제를 추가 적용하면 폐기 후에는 미생물에 의해 생분해(Biodegradable)되기 때문에 친환경적인 소재이다. 본 연구에서는 폴리에틸렌에 산화생분해 첨가제, 4종류 식물체 바이오매스, 불포화 지방산, 구연산을 첨가하여 생분해성 및 물성변화를 관찰하였다. 초기 신장율과 인장강도 등의 물성이 우수한 자연에 분해되는 바이오 플라스틱 필름을 제조하여 식품포장재로서의 제품 안전성을 시험하였다. 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피의 식물체를 Air classifying mill로 분체한 후, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 기타 첨가제를 고속혼합기에서 혼합한 후, 호퍼에 투입한 다음 용융혼합하면서 다이스로 압출하여 4 가지 다른 형태의 두께 $50{\mu}m$의 바이오 필름을 제조하였다. 기계적 물성으로 인장강도 및 신장율을 측정하였으며, 생분해 실험을 실시하였다. 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피로 제조된 필름 중 소맥피로 제조된 필름의 인장강도 및 신장율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 산화생분해 시험방법에 의해 45일간 생분해 테스트를 한 결과 표준물질인 셀룰로오스 분말 대비 51.5%의 생분해를 나타내었다.
Biomass-based plastics containing the biomass content higher than 25 wt% have been considered as environment-friendly materials due to their effects on the reduction in the $CO_2$ emission and petroleum consumption as well as biodegradability after use. This article described the effect o...
Biomass-based plastics containing the biomass content higher than 25 wt% have been considered as environment-friendly materials due to their effects on the reduction in the $CO_2$ emission and petroleum consumption as well as biodegradability after use. This article described the effect of the additions of oxo-biodegradable additive, 4 kinds of plant biomass, unsaturated fatty acid, citric acid in the properties of polyethylene films. Bio films were prepared using a variety of biomasses and tested for feasibility as a food packaging film. Mechanical properties such as tensile strength and percent elongation at break were evaluated. Husk biomasses from such as corn, soybean, rice, and wheat were pulverized using air classifying mill (ACM) and four different types of packaging films with thickness of $50{\mu}m$ were prepared using the pulverized biomass and low density polyethylene/linear low density polyethylene. The packaging film with wheat husk biomass was found to have greater mechanical properties of elongation and tensile strength than the other samples. Biodegradability of bio film was measured to be 51.5% compared to cellulose.
Biomass-based plastics containing the biomass content higher than 25 wt% have been considered as environment-friendly materials due to their effects on the reduction in the $CO_2$ emission and petroleum consumption as well as biodegradability after use. This article described the effect of the additions of oxo-biodegradable additive, 4 kinds of plant biomass, unsaturated fatty acid, citric acid in the properties of polyethylene films. Bio films were prepared using a variety of biomasses and tested for feasibility as a food packaging film. Mechanical properties such as tensile strength and percent elongation at break were evaluated. Husk biomasses from such as corn, soybean, rice, and wheat were pulverized using air classifying mill (ACM) and four different types of packaging films with thickness of $50{\mu}m$ were prepared using the pulverized biomass and low density polyethylene/linear low density polyethylene. The packaging film with wheat husk biomass was found to have greater mechanical properties of elongation and tensile strength than the other samples. Biodegradability of bio film was measured to be 51.5% compared to cellulose.
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문제 정의
하지만 바이오매스중 전분의 경우 식량자원 사용이란 문제점이 대두되어 그 사용을 줄이고, 최근 셀룰로오스, 폐지, 볏짚, 옥수수 껍질 등 비식용 자원을 소재로 한 연구개발이 활발하게 진행이 되고 있다. 본 논문에서는 농산부산물중 옥피, 대두피,왕겨, 소맥피를 이용하여 산화생분해 필름을 개발하였다. 이 중에서 소맥피를 이용한 필름의 인장강도 및 신율이 가장 우수하였다.
본 연구에서는 초기 신장율과 인장강도 등의 물성이 우수하고 탄소중립형 바이오매스 및 산화생분해 첨가제가 포함된 포장재를 제조하여 식품포장용 필름으로서 사용한 후의 환경 친화성을 평가하였다.
제안 방법
ACM을 사용하여 얻은 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피의 미분 말은 입도분석기(Microtrac S3500)를 사용하여 입도분포를 측정하였고, 바이오매스 종류별 입도분포도는 Figure 4에 표시 하였다
KFDA의 규정에 따라 앞서 언급한 배합과 방법에 의해 제조된 소맥피 이용 바이오 필름의 중금속 함량(mg/L), 과망간산 칼륨 소비량(mg/L), 납 함량(mg/kg), 증발잔유물(mg/L), 카드뮴 함량(mg/kg) 등을 식품공전의 기구 및 용기․포장의 기준․규격 중 합성수지제 시험방법[13]에 의거하여 측정함으로써 식품포장재로서의 적합성 여부를 판정하였다.
건조물을 믹서(JS-500, JinsanPRM, Siheung, Korea)에 투입한 후, 윤활 효과와 표면 개질 효과를 위해 스테 아린산 아연 및 스테아린산 칼슘(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)을 투입하여 코팅이 되도록하였고, 활제(DA-01, Sungu Co. Ltd., Siheung, Korea), 무기 필러(1T CaCO3, Omiya oorea, Hambaek, Korea), 과산화물(CYASORB, Needfill, Inc., Seoul, Korea), 제2철이온, 선형저밀도폴리에틸렌, 불포화지방 산(soybean oil, ottogi Co. Ltd., Anyang, Korea), 왁스(LC-102N, Lion Chemtech, Daejeon, Korea), 전분(corn starch, Cornproductkorea, Bupyeong, Korea) 그리고 유기산(ctiric acid, APS Co. Ltd., Ansan, Korea) (Table 1)을 믹서에 투입한 다음 500 rpm, 100 ± 10 ℃를 유지하면서 50분간 2차 건조를 수행하였다.
농산부산물 바이오매스의 분산성, 표면, 결합상태를 측정하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 및 광학현미경으로 옥피, 소맥피, 왕겨, 대두피 분체 분말 및 소맥피이용 바이오 필름의 표면을 관찰하였다.
또한, 입도분포가 가장 균일하였고, 물성이 우수한 소맥피를 대상으로 필름을 제조하였다. 필름 A는 입경사이즈가 중간 부분의 소맥피 분말 평균 입경 19 µm 부위만을 선별하여 이용한 M/B로 제조하였고, 필름 B는 나머지 분말을 이용한 M/B로 제조하였다.
바이오 원료 펠릿 및 바이오 필름을 제조하기 위한 농산부 산물 유래 식물체 바이오매스인 소맥, 왕겨, 옥피, 대두피를 ACM (air classifying mill) 분체기(Figure 1)를 사용하여 분체하였다.
바이오매스 분체를 마스터배치로 제조하기 위해서는 식물 체 부산물인, 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피를 ACM을 이용하여 분체하였고, 분체상태에 따른 바이오 필름의 물성을 확인하기 위해 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피의 입도를 분석하였다.
분쇄한 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피 분말(80~400 mesh)을 원 통회전식건조기(D560, Hwain Machinary, Wonju, Korea)를 사 용하여 100 ± 10 ℃에서 30분간 수분 함량 10% (w/w) 이하로 열풍 건조하였다.
생산기술연구원 패키징기술센터에 ASTM D 882방법에 따 라 바이오매스 종류별로 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피 M/B 40% 와 LLDPE 60%를 혼합하여 제조한 바이오 필름을 25 × 102 mm로 제단한 샘플에 대해서 기계적 물성(인장강도, 신장율)을 측정하였다.
제조된 바이오 펠릿, 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE, 5315, Hanwha Chemical Corporation, Seoul, Korea), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE, 7000F, Honam Petrochemical corporation, Seoul, Korea) 및 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene, LLDPE, UF315, Honam Petrochemical corporation, Seoul, Korea)을 혼합한 후 스크류 온도 200 ℃에서 필름성형기(BS-55, Boosung,Hanam, Korea)로 압출하여 두께 50 µm의 바이오 필름을 제조 하였다. 옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피를 이용한 마스터배치를 이 용하여 각각 제조한 바이오 필름의 인장강도, 신장율의 물성을 비교하였고, 원료 사용 비율은 Table 2에 나타내었다. 인장 강도와 신장율은 만능시험기(universal testing machine, UTM, Daekyung Tech, Incheon, Korea)를 이용하여 측정하였다.
이후 압출성형기(JTE-58HS, Tween Extruder, JinsanPRM, Korea) 를 이용하여(다이 직경: 58 mm, 롤 비율(길이/직경): 40, 배럴 온도: 170 ℃, 스크류 회전속도: 800 rpm, 스크류 니딩존 3개, 리버스존 2개, 진공벤트존 1개, 오픈벤트존 1개) 스트랜드를 만들었고, 수분 재흡수 문제를 위해 공랭식으로 냉각한 다음, 이를 2-3 mm 크기로 커팅하여 바이오 펠릿을 제작하였다.
옥피, 대두피, 왕겨, 소맥피를 이용한 마스터배치를 이 용하여 각각 제조한 바이오 필름의 인장강도, 신장율의 물성을 비교하였고, 원료 사용 비율은 Table 2에 나타내었다. 인장 강도와 신장율은 만능시험기(universal testing machine, UTM, Daekyung Tech, Incheon, Korea)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
제조된 바이오 펠릿, 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE, 5315, Hanwha Chemical Corporation, Seoul, Korea), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE, 7000F, Honam Petrochemical corporation, Seoul, Korea) 및 선 형저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene, LLDPE, UF315, Honam Petrochemical corporation, Seoul, Korea)을 혼합한 후 스크류 온도 200 ℃에서 필름성형기(BS-55, Boosung,Hanam, Korea)로 압출하여 두께 50 µm의 바이오 필름을 제조 하였다.
필름 A는 입경사이즈가 중간 부분의 소맥피 분말 평균 입경 19 µm 부위만을 선별하여 이용한 M/B로 제조하였고, 필름 B는 나머지 분말을 이용한 M/B로 제조하였다.
이론/모형
ASTM D 6866 시험규격은 제품내 유기탄소 함량을 측정하는 규격으로 현재 국내 인증기관이 없는 관계로 인증대행기관 을 미국 BETA연구소를 통하여 샘플 25 g으로 시험을 진행하였다. 시험결과 소맥피를 이용한 바이오 필름 내 유기 탄소함 량은 40%로서 미국 농무성 인정기준인 25%보다 높은 것으로 나타났다.
ASTM D 6866시험법을 이용하여 BETA연구소에서 유기탄 소 함량평가를 실시하였다. ASTM D 6866 시험방법은 2002 년도부터 미국 농무성(USDA) 주관으로 시작된 플라스틱 고 분자 중 유기탄소의 함량을 측정하여 바이오매스 함량을 정하는 방법으로 세계적으로 널리 사용되는 시험규격이다.
바이오매스 유래 유기탄소 함유 비율을 측정하기 위해 미국의 공인 시험방식인 ASTM D 6866(유럽 공인 방식 명칭 CEN16137)[14] 방법으로 시험하는 미국 BETA연구소에 의뢰하였다
생분해성 평가는 산화생분해 평가방법인 ASTM D6954-04 방법[15]에 따라 테스트 하였다. 분해성 평가는 Figure 3과 같이 3단계로 구분되며, 1단계에서는 ASTM D 5208-01 CYCLE A방법[16]으로 UVA 340 nm로 100시간 처리하여 화학적 분 해를 시킨 후, UV처리된 시료의 생분해도를 KSM-3100-1의 방법으로 퇴비화 조건에서 측정하였다.
생분해성 평가는 산화생분해 평가방법인 ASTM D6954-04 방법[15]에 따라 테스트 하였다. 분해성 평가는 Figure 3과 같이 3단계로 구분되며, 1단계에서는 ASTM D 5208-01 CYCLE A방법[16]으로 UVA 340 nm로 100시간 처리하여 화학적 분 해를 시킨 후, UV처리된 시료의 생분해도를 KSM-3100-1의 방법으로 퇴비화 조건에서 측정하였다.
성능/효과
45 µm 이하로 더 작게 분쇄 할 수 있으나, 분쇄기 내부의 병목현상으로 인해 45 µm로 분쇄 하는 것이 최적의 입도 크기인 것을 확인하였다.
ACM으로 1차 분체한 결과 평균 45 µm 정도의 크기로 분체가 된 것을 확인할 수 있었다.
필름 A는 입경사이즈가 중간 부분의 소맥피 분말 평균 입경 19 µm 부위만을 선별하여 이용한 M/B로 제조하였고, 필름 B는 나머지 분말을 이용한 M/B로 제조하였다. 각 필름의 인장강도, 신장율은 필름 A가 약간 우수하였고(Table 4), 필름표면을 관찰한 결과 필름 A는 표면이 매끄럽고 갈변도가 심하지 않은 반면, 필름 B는 표면이 거칠고 갈변도가 심하여 육안으로도 식별이 가능하였다(Figure 6). 각각의 시험은 5회 반복을 하여 평균을 냈다.
산화생분해 방법에 의한 45일간의 생분해성 평가 결과를 Figure 7에 나타내었다. 본 연구에 의해 제조된 바이오 필름의 이산화탄소 방출량에 의해 계산된 평균 생분해도는 39.2%로 나타났다. 특히 8일 이후부터 본 연구에 의해 제조된 소맥피 이용 바이오 필름의 경우 생분해도는 거의 일정하게 분해되는 것을 확인할 수 있었다.
ASTM D 6866 시험규격은 제품내 유기탄소 함량을 측정하는 규격으로 현재 국내 인증기관이 없는 관계로 인증대행기관 을 미국 BETA연구소를 통하여 샘플 25 g으로 시험을 진행하였다. 시험결과 소맥피를 이용한 바이오 필름 내 유기 탄소함 량은 40%로서 미국 농무성 인정기준인 25%보다 높은 것으로 나타났다.
재질시험에서 Pb, Cd, Hg, Cr6+은 검출되지 않았으며, 용출 시험결과 중금속 및 과망간산칼륨, 증발잔류물이 규격기준에 알맞은 것으로 나타났다.
9 MPa와 300% 이상으로 나타났다. 추가로 바이오매스인 옥피,대두, 왕겨, 소맥피를 넣고 필름을 제조한 결과 일반 저밀 도 폴리에틸렌과 물성이 비슷한 것으로 나타났다. 그 중에서 소맥피의 경우 인장강도가 옥피나 대두피에 비해 높은 수치 를 나타내었다.
2%로 나타났다. 특히 8일 이후부터 본 연구에 의해 제조된 소맥피 이용 바이오 필름의 경우 생분해도는 거의 일정하게 분해되는 것을 확인할 수 있었다. 표준물질에 비해 51.
후속연구
이 중에서 소맥피를 이용한 필름의 인장강도 및 신율이 가장 우수하였다. 또한 산화생분해제, 지방산등을 적용하여 제조한 소맥피 필름의 생분해도를 45일간 측정한 결과 셀룰로오스 대 비 51.5%의 생분해를 나타내어 올해초 시행된 국제환경규제 규격기준인 ASTM D 6494를 기준으로 제정한 UAE D 5009의 기준에도 적합하여 향후 국내 산업화 추진 및 해외수출이 용이할 것으로 기대된다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산화생분해 플라스틱란 무엇인가?
바이오 플라스틱(Bio plastics)은 크게 생분해 플라스틱(bio degradable plastics), 산화생분해 플라스틱(oxo-biodegradable plastics) 및 바이오 베이스플라스틱(bio based plastics)로 나누어지는 데, 이중 바이오 베이스 플라스틱에 산화생분해 첨가제가 더 포함된 산화생분해 플라스틱은 옥수수등 식물로부터 유래하는 바이오매스를 25% 이상 함유하는 플라스틱에 추가로 산화생분해 첨가제를 첨가한 플라스틱으로, 그 원료 인 바이오매스가 광합성에 의해 생성되는데 이 과정에서 대기중의 이산화탄소를 필요로 한다. 따라서 탄소배출을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되고, 특히 물성개선 및 가격경쟁력 유지 측면에서 친환경적인 소재로 각광을 받고 있다[4,5].
바이오 플라스틱은 어떻게 나눌 수 있는가?
바이오 플라스틱(Bio plastics)은 크게 생분해 플라스틱(bio degradable plastics), 산화생분해 플라스틱(oxo-biodegradable plastics) 및 바이오 베이스플라스틱(bio based plastics)로 나누어지는 데, 이중 바이오 베이스 플라스틱에 산화생분해 첨가제가 더 포함된 산화생분해 플라스틱은 옥수수등 식물로부터 유래하는 바이오매스를 25% 이상 함유하는 플라스틱에 추가로 산화생분해 첨가제를 첨가한 플라스틱으로, 그 원료 인 바이오매스가 광합성에 의해 생성되는데 이 과정에서 대기중의 이산화탄소를 필요로 한다. 따라서 탄소배출을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되고, 특히 물성개선 및 가격경쟁력 유지 측면에서 친환경적인 소재로 각광을 받고 있다[4,5].
산화생분해 플라스틱의 장점은 무엇인가?
바이오 플라스틱(Bio plastics)은 크게 생분해 플라스틱(bio degradable plastics), 산화생분해 플라스틱(oxo-biodegradable plastics) 및 바이오 베이스플라스틱(bio based plastics)로 나누어지는 데, 이중 바이오 베이스 플라스틱에 산화생분해 첨가제가 더 포함된 산화생분해 플라스틱은 옥수수등 식물로부터 유래하는 바이오매스를 25% 이상 함유하는 플라스틱에 추가로 산화생분해 첨가제를 첨가한 플라스틱으로, 그 원료 인 바이오매스가 광합성에 의해 생성되는데 이 과정에서 대기중의 이산화탄소를 필요로 한다. 따라서 탄소배출을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되고, 특히 물성개선 및 가격경쟁력 유지 측면에서 친환경적인 소재로 각광을 받고 있다[4,5].
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