[논문]바이오매스 기반 종이 플라스틱의 제조 및 응용에 대한 고찰

윤광식; 이동은; 조대명

doi:10.20909/kopast.2020.26.1.25

바이오매스 기반 종이 플라스틱의 제조 및 응용에 대한 고찰
A Study on Manufacturing of Paper Plastics Based on Biomass and Their Applications 원문보기

한국포장학회지= Korean Journal of Packaging Science & Technology, v.26 no.1, 2020년, pp.25 - 31

윤광식 (HDC현대EP) , 이동은 (HDC현대EP) , 조대명 (한양대학교 기술경영전문대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, applications of biomass-based plastics have increased according to the eco-friendly policy of the reduction of carbon dioxide emissions in domestic and foreign government. In this study, a paper plastic composite was produced by compounding polypropylene and micronized paper powder that was prepared using dry pulverization technology. Subsequently, the specimen of paper plastic was verified with mechanical properties, formability and product safety test to confirm the suitable packaging materials for food packaging. Paper plastics showed slightly lower mechanical properties than currently commercialized PP composites. However, paper plastics are valuable materials as environmentally friendly carbon-reducing material because of high biocarbon content, light weight features and applicability of existing manufacturing machines or system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

PP 복합체는 표면이 소수화 처리된 구형 SiO₂ 무기필러가 35 wt% 첨가되어 있기 때문에 종이 파우더의 기계적 물성 (특히 강도 보강 측면)이 상대적으로 떨어 질 수 밖에 없다. 또한 이는 무엇보다도 친수성이 높은 종이 파우더와 소수성이 높은 PP의 낮은 상용성에 의해 계면 특성이 떨어지는데 기인한다.^18-19) 그러나 종이 플라스틱은 낮은 비중에 따른 경량화 및 앞서 서술한 바이오탄소 함량이 높아 지속 가능한 제품 (Sustainable Product)에 적합한 친환경 소재라는 점에 의미가 있다 할수 있다.
최근 적극적으로 이산화탄소 배출량을 감소시키려는 국내외 친환경 정부 정책 상황에 따라 바이오매스로부터 제조되는 바이오매스 기반 분해성 플라스틱의 적용분야가 확대되고 있다. 본 연구에서는 건식 분말화 기술을 통해 미분화된 종이파우더와 PP를 복합화하여 바이오탄소 함량이 40%이상인 종이플라스틱을 제조하고 해당 시편의 기계적물성, 성형성, 제품 안전성 및 식품 포장 분야 소재로의 적합성을 비교 검증하였다. 종이 플라스틱은 현재 상용화 되어있는 PP 복합체 대비 전반적인 물성이 다소 떨어지나 높은 바이오탄소 함량, 경량화 뿐만 아니라 기존 가공 장비를 그대로 적용 할 수 있어 난분해 플라스틱을 대체 할 수 있는 환경친화적인 탄소 저감형 재료로써의 가치가 높다 할수 있다.
그러나 최근 이탈리아, 프랑스 등 주요 선진국에서는 바이오 탄소 함량이 높은 소재를 사용하도록 강제하는 정책을 시행하고 있으며, 이러한 트렌드는 확대될 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서는 바이오탄소 함량이 40% 이상인 바이오 베이스 플라스틱 개발하기 위해 폴리프로필렌과 생물유래물질¹⁴⁾인 셀룰로오스로 이루어진 종이 파우더를 수지 복합화 하여 종이 함량이 55% 이상인 종이플라스틱을 제조하였고, 제조된 종이플라스틱의 식품 포장 분야 소재로의 적용 가능성을 검토하기위해 제품 안전성, 기계적 물성 및 성형성을 평가하였다.
식품의약안전처는 식품, 의약품, 화장품 등 다양한 제품을 통해 섭취, 흡입, 흡수되는 유해물질이 인체에 미치는 영향을 종합적으로 평가하기 위해 ‘위해평가 방법 및 절차 등에 관한 규정’을 통해 식품 관련 제품의 유해물질 안전관리를 강화하고 있다. 이에 종이플라스틱의 제품 안정성을 검증하고자 하였다.

가설 설정

2a와 2b에 도시한 셀룰로오스 및 PP의 분자 구조에 따라 각각 72 g/mol, 162 g/mol, 36 g/mol, 42 g/mol이다. 총 투입량을 1로 가정하고 종이파우더 혼합비 x는 0.55이므로, 이론적으로 계산된 종이플라스틱의 바이오 탄소 함량은 38.8%이다. 이는 Fig.

제안 방법

기존 가공 생산 설비를 이용하여 종이플라스틱 숟가락(Fig. 3b) 및 용기(Fig. 3d)를 제조한 후 PP 복합체 (Fig. 3a, 3c)와의 성형성을 비교하였다. 일반적으로 PP 복합체는 가공 온도를 210~220oC로 설정하지만 종이 플라스틱은 열화 및 탄화 현상을 방지하기 위해 190oC에서 사출, 시트 및프레스성형을 진행하였다.
미분화된 글라신 파우더 (55%)와 두 종류의 Polypropylene [Polypropylene-1 (PP-1, Block PP), Polypropylene-2 (PP- 2, Homo PP)]을 이축 압출기 (Twin Extruder, JinSan PRM, Siheung, Korea)를 이용해 수지 복합화하였다. 이 때, 흐름성과 분산성 개선 효과를 위해 소량의 내외부 활제 및 충격보강용 폴리올레핀 엘라스토머를 함께 첨가하였다.
본 연구에서는 제조한 종이 플라스틱은 셀룰로오스로 이루어져 있는 종이 파우더와 석유 유래 PP를 복합화하였다. 따라서 x는 종이 파우더의 혼합비, α와 β는 셀룰로오스와 PP의 탄소비 이므로 αx와 β(1 - x)는 셀룰로오스와 PP의 상대 탄소비와 같다.
350 ton 용량을 갖는 사출 성형기 (SPE350, Injection Molder, Hyundai Injection Machinery, Gyeongsangbuk-do, Korea)를 이용하여 종이플라스틱 숟가락을 제조하였다. 실린더온도 (190oC)를 제외한 압력, 속도, 보압, 보압시간, 금형온도, 냉각시간 등의 사출성형조건을 모두 동일하게 설정 하였으며, 수지 변경 시 Neat PP를 사용하여 사출기 내부를 세정하고 설정된 성형조건의 정상상태 도달 확인 후 진행하였다.
종이파우더의 수분함량은 수분 분석기 (HX204, Mettler Toledo, Zurich, Swiss)을 이용하였으며, 할로겐 램프로 120^oC 온도에서 수분 증발에 따른 무게 변화량이 없을 때까지 시료를 가열하여 확인하였다.
종이파우더의 외관과 크기는 Scanning Electron Microscopy (SEM, S-5200, Hitachi, Tokyo, Japan)을 사용하여 1cm씩 시료 입자를 옮기면서 15 kV 가속 전압으로 측정하였다.
종이플라스틱 복합체의 비중과 용융지수는 각각 전자비중계 (SD-200L, SAEHAN, Seoul, Korea)와 MI (Melt Index)측정기 (MP1200, Tinius Olsen, Pennsylvania, USA)를 이용하였으며, 기계적 물성은 JIS 규격과 ASTM 규격에 의거하여 Universal Testing System (UTM, QC-546M2F, Cometech, Taichung, Taiwan)으로 확인하였다.
상지 (Top Layer) 및 하지 (Bottom Layer)는 PP-1과 PP-2를 혼합하여 제조하였으며, 중지 (Middle Layer)는 종이 플라스틱을 이용하여 제조하였다. 최종 성형된 시트는 상지, 중지, 하지 구조로구성하였으며, 셀룰로오스 함량이 전체 중량 기준 55%가되도록 하였다. 이후, 제작된 0.

대상 데이터

350 ton 용량을 갖는 사출 성형기 (SPE350, Injection Molder, Hyundai Injection Machinery, Gyeongsangbuk-do, Korea)를 이용하여 종이플라스틱 숟가락을 제조하였다. 실린더온도 (190oC)를 제외한 압력, 속도, 보압, 보압시간, 금형온도, 냉각시간 등의 사출성형조건을 모두 동일하게 설정 하였으며, 수지 변경 시 Neat PP를 사용하여 사출기 내부를 세정하고 설정된 성형조건의 정상상태 도달 확인 후 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 특성을 가진 일본산 글라신지를 건식 종이 분말화 기술을 통해 분쇄하여 다양한 외관과 크기를 갖는 종이 입자를 첨가 파우더로써 활용하였다.
5 mm 두께를 갖는 3-Layer 시트를 제조하였다. 상지 (Top Layer) 및 하지 (Bottom Layer)는 PP-1과 PP-2를 혼합하여 제조하였으며, 중지 (Middle Layer)는 종이 플라스틱을 이용하여 제조하였다. 최종 성형된 시트는 상지, 중지, 하지 구조로구성하였으며, 셀룰로오스 함량이 전체 중량 기준 55%가되도록 하였다.
종이플라스틱 복합체의 바이오매스 첨가제로써 글라신지를 이용하였다. 글라신지는 화학펄프를 점상 고해하여 얻은 셀룰로오스 섬유를 슈퍼캘린더링 공정을 거쳐 제조된다.

이론/모형

종이플라스틱 복합체의 바이오 탄소함량은 압출 공정을 통해 제조된 시료를 한국의류시험연구원 [KATRI (Korea Apparel Testing & Research Institute), Gyeonggi-do, Korea]에서 ASTM D 6866 Method에 의거하여 측정하였다.
종이플라스틱 복합체의 제품 안전성은 한국에스지에스(Gyeonggi-do, Korea)에서 식품 용기 포장 적합성 평가 (식품의약품안전처 고시 제 2019-2호 기구 및 용기포장의 기준 및 규격)에 의거하여 평가하였다.

성능/효과

^2-3) 그러나 국내 바이오플라스틱 시장규모는 경제규모에 비교하면 도입기라고 볼 수 있으며 이는 소재의 대부분을 수입에 의존하고 있고 국내에서는 가공 및 제품화에 주력하고 있기 때문이다.⁴⁾ 그러나 국민의식의 성숙과 환경규제의 강화에따라 국내 바이오플라스틱 시장도 빠르게 성장할 것으로 예상된다.
Milling 분말화 기술을 이용해 분쇄된 종이 파우더의 사이즈는 약 6~80 µm로 다양했으며 30 µm의 평균 직경 크기를 가지는 것을 확인 할 수 있었다.
인위적으로 온도, 습도를 제어하지 않은 상태로 보관된 종이 파우더 시료의 대기 노출시간에 따른 수분 함량값을 Table 2에 나타내었다. 노출 직후부터 7일 후까지는 수분 함량치가 꾸준히 증가하다 14일후에는 5.50%로 감소하고, 30일 후에는 6.43%로 다시 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
Milling 분말화 기술을 이용해 분쇄된 종이 파우더의 사이즈는 약 6~80 µm로 다양했으며 30 µm의 평균 직경 크기를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 습식이 아닌 건식 공정을 통해 제조되어 형태와 표면이 상대적으로 균일하지 않은 것을 알 수 있었다.
납 (Pb) 함량 (mg/kg), 카드뮴(Cd) 함량 (mg/kg), 수은 (Hg) 함량 (mg/kg), 크롬 (Cr) 함량 (mg/kg), 과망간산칼륨 (KMnO4) 소비량 (mg/L), 증발잔류물 (mg/L) 등을 포함한 30개 검사 항목에서 기준치 이상 검출된 물질이 존재 하지 않았다. 이와 같은 결과로부터 종이 플라스틱은 제품 안전성이 높아 식품 포장 소재로 적합하다는 것을 확인 하였다.
숟가락용 소재로 상용화 되어있는 PP 복합체와 본 연구에서 제조한 종이 플라스틱의 비중, 용융지수 및 기계적 물성을 Table 4에 나타내었다. 종이 플라스틱은 PP 복합체 대비비중이 낮고 용융지수가 비슷해 기존 사출 조건을 크게 바꾸지 않으면서 보다 경량화된 성형품이 제조 가능할 것이라 예측되었다. 그러나 인장 탄성율을 제외한 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 충격강도 모두 종이 플라스틱이 PP 복합체보다 떨어짐을 알 수 있다.
가공 온도가 낮을 경우 수지의 용융 흐름저하에 따른 미성형, 반대의 경우 Gas, Burr 등의 제품 불량 현상이 발생할 수 있다. 종이 플라스틱의 용융지수와 가공온도가 PP 복합체 대비 각각 2.4g/10min, 30oC낮음에도 불구하고 (Table 4), 외관 평가 시 성형성 및 완제품의 외관 품질이 PP 복합체와 유사한 수준을 보였다(Fig 3). 종이플라스틱은 기존 사출 및 프레스 등의 후가공성형 장비를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며, 최종 성형품은 100^oC 내외의 온도가 발생되는 전자레인지에 5분간 노출시켜도 변형이 없어 PP 제품이 상용화되어 있는 식품 적용 포장 분야에서 동일하게 사용 가능할 것으로 판단하였다.
4g/10min, 30oC낮음에도 불구하고 (Table 4), 외관 평가 시 성형성 및 완제품의 외관 품질이 PP 복합체와 유사한 수준을 보였다(Fig 3). 종이플라스틱은 기존 사출 및 프레스 등의 후가공성형 장비를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며, 최종 성형품은 100^oC 내외의 온도가 발생되는 전자레인지에 5분간 노출시켜도 변형이 없어 PP 제품이 상용화되어 있는 식품 적용 포장 분야에서 동일하게 사용 가능할 것으로 판단하였다.

후속연구

^18-19) 그러나 종이 플라스틱은 낮은 비중에 따른 경량화 및 앞서 서술한 바이오탄소 함량이 높아 지속 가능한 제품 (Sustainable Product)에 적합한 친환경 소재라는 점에 의미가 있다 할수 있다. 또한, PP 대비 상대적으로 소수성이 낮고 종이 파우더와 상용성이 높은 생분해 수지인 PLA (Polylactic Acid), PBS (Poly Butylene Succinate) 등을 Base Resin으로 적용할 경우, 종이 파우더에 의한 보강 효과가 증가될 것이라기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지금까지 연구되고 있는 생분해 플라스틱에는 무엇이 있는가?	현재까지 연구되고 있는 PLA (Polylactic Acid), PHA (Polyhydroxyalkanoates), PES (Poly Ethylene Succinate), PBS (Poly Butylene Succinate) 등의 생분해 플라스틱은 짧은 분해기간, 약한 물성, 내열성 및 내한성, 가격경쟁력 등의 한계로 인해 유통기한이 짧거나 수분, 미생물 등에 접촉 시간이 길지 않은 분야에 국한되어 사용되고 있다.12) 해당 단점을 보완하기 위해 산화 생분해제, 상용화제, 산화제 등을 이용한 산화생분해 플라스틱과 바이오매스 20~40%, 플라스틱 60~80%를 혼합한 바이오베이스 플라스틱이 지속적으로 출시되고 있으며13) 국내외적으로 바이오 탄소 함량이 20~25% 이상인 제품에 한해 biobased 플라스틱 인증 라벨제도가 시행되고 있다.
	바이오탄소 함량 40% 이상인 종이플라스틱의 장점은?	본 연구에서는 건식 분말화 기술을 통해 미분화된 종이파우더와 PP를 복합화하여 바이오탄소 함량이 40%이상인 종이플라스틱을 제조하고 해당 시편의 기계적물성, 성형성, 제품 안전성 및 식품 포장 분야 소재로의 적합성을 비교 검증하였다. 종이 플라스틱은 현재 상용화 되어있는 PP 복합체 대비 전반적인 물성이 다소 떨어지나 높은 바이오탄소 함량, 경량화 뿐만 아니라 기존 가공 장비를 그대로 적용 할 수 있어 난분해 플라스틱을 대체 할 수 있는 환경친화적인 탄소 저감형 재료로써의 가치가 높다 할수 있다. 또한 이산화탄소 저감을 위해 바이오 유래 탄소함량이 높은 바이오 베이스 플라스틱을 사용하도록 하는 주요 선진국들의 정책에 효율적으로 대처할 수 있다.
	현재까지 연구된 생분해 플라스틱이 제한된 분야에서만 사용되는 이유는?	현재까지 연구되고 있는 PLA (Polylactic Acid), PHA (Polyhydroxyalkanoates), PES (Poly Ethylene Succinate), PBS (Poly Butylene Succinate) 등의 생분해 플라스틱은 짧은 분해기간, 약한 물성, 내열성 및 내한성, 가격경쟁력 등의 한계로 인해 유통기한이 짧거나 수분, 미생물 등에 접촉 시간이 길지 않은 분야에 국한되어 사용되고 있다.12) 해당 단점을 보완하기 위해 산화 생분해제, 상용화제, 산화제 등을 이용한 산화생분해 플라스틱과 바이오매스 20~40%, 플라스틱 60~80%를 혼합한 바이오베이스 플라스틱이 지속적으로 출시되고 있으며13) 국내외적으로 바이오 탄소 함량이 20~25% 이상인 제품에 한해 biobased 플라스틱 인증 라벨제도가 시행되고 있다.

참고문헌 (19)

Lee, J.C. and Pai, C.M. 2016. Trends of environmentfriendly bioplastics. Appl. Chem. Eng. 27: 245.

원문보기 상세보기
2018. Technology roadmap for SME.
Progressive Markets. Size, Trend, Share, Opportunity Analysis, and Forecast. 2017-2025.
Lee, J.W. 2011. Bio-plastics. KISTI Market Report. 1(1): 24-27.
Garcia, C., Hernandes, T., and Costa, F. 1992. Comparison of Humic Acids Derived from City refuse with more Developed Humic Acids. Soil Sci. Plant Nutr. 38: 339-346.

상세보기
Chung, M.S., Lee, W.H., You, T.S., Kim, H.Y., and Park, K.M. 2003. Manufacturing Multi-degradable Food Packaging Films and Their Degradability. Korean J. Food Sci. Technol. 35(5): 877-883.
Huag, J.H., Shetty, A.S., and Wang, M.S. 1990. Biodegradable Plastics. A Rev. Adv. Polym. technol. 10: 23-30.

상세보기
Doane, W.M. 1992. USDA Research on Starch-based Biodegradable Plastics. Starch. 44: 292-295.
You, Y.S., Hong, S.H. and Choi, S.W. 2015. International Trends in Development, commercialization and Market of Bio-Plastics. CLEAN TECHNOLOGY. 21: 141-152.

원문보기 상세보기
You Y.S. Trends of Oxo Biodegradable plastics Certification Label and Products in Domestic and foreign Country.
Son, W.I. and Hong, J.H. 2018. A Study on Circular Economy and Sustainable Bioeconomy : focusing on Biochemical Industry. The Korean Journal of Bioeconomy. 175-206.
You, Y.S., Kim, M.K., Park, M.J. and Choi, S.W. 2014. Development of Oxo-biodegradable Bio-plastics Film Using Agricultural By-product Such as Corn Husk, Soybean Husk, Rice Husk and wheat Husk. Clean Technol. 20(3): 205-211.

원문보기 상세보기
You, Y.S., Oh, Y.S., Hong, S.H. and Choi S.W. 2015. International Trends in Development, commercialization and Market of Bio-Plastics. Clean Technol. 21(3): 141-152.

원문보기 상세보기
Ellen Macarthur Fondation. 2012. Toward the circular economy.
Jang, S.Y. and Kim, D.S. 2015. Preparation and Physical Properties of Polypropylene/Cellulose composites. Polymer Korea. 39(1): 130-135.

원문보기 상세보기
Gassan, J. and Bledzki, A.K. 1999. Effect of Cyclic Moisture Absorption Desorption on the mechanical Properties of Silanized Jute-epoxy Composites, Polymer Composites. 20(4): 604-611.

상세보기
KUNIOKA M. 2013. Measurement Methods of Biobased Carbon Content for Biomass-Based chemicals and Plastics. Radioisotopes. 62: 901-925.

상세보기
Shubhra, Q.T., Alam, A. and Quaiyyum, M. 2013. Mechanical properties of polypropylene composites: A review. J. Thermoplast. Compos. Mater. 26(3): 362-391.

상세보기
Catherine, J., Robert, G. and Bernard, C. 1996. PHYSICAL CHEMISTRY OF THE INTERFACE IN POLYPROPYLENE/CELLULOSIC-FIBRE COMPOSITES. Compos. Sci. Technol. 56: 161-765.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증