생분해성 농업용 멀칭필름{Biodegradable-Agriculture Mulching Film}

본 발명은 생분해성 농업용 멀칭필름에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)이 혼합되고 일정한 산가로 된 생분해성 화합물로 되어 자연상태에서 미생물에 의해 분해되고 작물의 생육기간 별로 적용 가능한 분해 속도를 갖는 생분해성 농업용 멀칭필름에 관한 것이다.

일반적으로 멀칭(Mulching)은 농작물을 재배할 때 경지 토양의 표면을 덮어주는 것을 말하며 멀칭필름(Mulching Film)은 멀칭이 비닐 등의 재질로 이루어진 얇은 막을 말하며 토양의 침심방지 및 수분방지, 지온조절, 잡초 성장억제, 토양 전염성 병균방지, 토양 오염방지 등으로 목적으로 사용되며 비로 인하여 경지 토양이 씻겨나가는 것을 방지하는 효과도 있다.

일반적으로 농작물을 재배할 때 잡초의 성장을 억제하고 토양의 수분과 영양소가 증발되지 않도록 이랑에 멀칭필름을 씌우고, 멀칭필름의 표면을 절개하여 이 절개된 부분에 농작물의 모종을 이식하게 된다.

상기 농작물을 재배하는 생분해성 농업용 멀칭필름의 종래기술을 살펴보면,

대한민국 등록특허공보 제10-0903886호 폴리유산을 이용한 생분해성 농업용 멀칭필름과 그 제조방법(2009년 06월 24일)에서 폴리유산을 이용한 생분해성 농업용 멀칭필름은 폴리유산 10~55중량부, 중질탄산칼슘 7~15중량부, 지방족 폴리에스테르 10~30중량부, 젖당 3~10중량부, 에틸아세테이트 1~5중량부, 메틸메타크릴레이트 1~7중량부, 가루우유 10~20중량부, 생분해보조제 1~5중량부, 광분해제 1~4중량부를 혼합한 생분해성 화합물에 LDPE, LLDPE, HDPE, LMPE, PP, PS, PE 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 플라스틱수지를 혼합 가공한 후 압출하여 형성되고, 생분해성 화합물 40중량부에 플라스틱 수지로 LDPE 12중량부와 LLDPE 48중량부를 혼합하여 압출 성형된다.

상기 종래기술의 폴리유산을 이용한 생분해성 농업용 멀칭필름은 혼합된 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등의 합성수지에 첨가제만을 넣어 합성수지가 조각 조각되어 생분해처럼 보이게 할 뿐 생분해가 되지 않아 실질적으로 친환경적인 생분해 효과를 발휘할 수 있는 데에는 한계가 있는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래기술은 분해 속도가 보편적으로 늦어 작물이 성장되어도 분해가 되지 아니하는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래기술은 폴리에틸렌(LDPE) 등의 합성수지 자체가 미생물에 의해 생분해가 되지 아니하여 토양에 축적되면 추후 환경오염이 유발되는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래기술은 소각하게 되면 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등의 합성수지에 의하여 불완전 연소에 의하여 환경 호르몬, 일산화탄소 및 유독성의 다이옥신이 생성되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로서, 기지가 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)의 생분해성 화합물 만으로 조성되고 산가(acid value) 0.3~3.0으로 된 필름으로서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등과 같은 합성수지를 전혀 사용하지 아니하여 자연상태에서 미생물에 의해 분해되고 작물의 생육기간 별로 적용 가능한 분해 속도를 갖고 소각 시에 환경오염을 방지할 수 있는 생분해성 농업용 멀칭필름을 제공함에 있다.

본 발명은 생분해성 농업용 멀칭필름이 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 40~90중량부, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 5~20중량부 및 탄산칼슘(CC) 5~40중량부로 구성된다.

또한, 본 발명의 멀칭필름은 산가 0.3~3.0으로 구성된다.

또한, 본 발명의 산가는 수산화 칼륨(KOH), 수산화나트륨(Sodium Hydroxide), 수산화칼슘(Calcium Hydroxide), 무수탄산나트륨(Sodium Carbonate Anhydrous) 및 무수탄산칼륨(Potassium Carbonate Anhydrous) 중에서 어느 1종 이상의 혼합에 의하여 결정된다.

또한, 본 발명의 탄산칼슘(CC)은 입자크기가 0.3~3.5μm로 구성된다.

또한, 본 발명의 멀칭필름은 산화방지제가 0.05~0.45중량부를 더 포함한다.

또한, 본 발의 멀칭필름은 세라믹 5~15중량부를 더 포함된다.

본 발명은 기지가 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 40~90중량부, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 5~20중량부로 구성되어 기계적 강도 및 유연성이 양호하고 생분해 기간이 조절되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)로 구성된 멀칭필름은 기계 방향으로 찢어짐이 발생하나 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)에 탄산칼슘(CC)이 포함되어 멀칭필름이 기계 방향으로 찢어지는 것이 방지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 생분해성의 기간을 산가 0.3~3.0의 조정으로 생분해성 속도가 조절되어 작물의 종류 및 생육 기간에 따라 적응성이 양호하고 작물의 생장속도 및 수확량에 영향을 미치지 아니하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 산가를 수산화 칼륨(KOH), 수산화나트륨(Sodium Hydroxide), 수산화칼슘(Calcium Hydroxide), 무수탄산나트륨(Sodium Carbonate Anhydrous) 및 무수탄산칼륨(Potassium Carbonate Anhydrous) 중에서 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합에 의하여 결정되어 산가 조절이 용이한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 탄산칼슘(CC)의 입자크기가 0.3~3.5μm로 구성되어 생산 원가가 저렴하면서 멀칭필름의 표면이 적당하게 매끈한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 산화방지제가 0.05~0.45중량부 더 포함되어 블루밍(blooming) 현상이 없고 색상이 안정된 효과가 있다.

또한, 본 발명은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등과 같은 합성수지를 전혀 사용하지 않고 생분해성 화합물만으로 조성되어 토양 속에 매립되어도 물이나 미생물에 의하여 고분자가 저분자화되고 미생물이 완전히 소화시킬 수 있는 크기로 분해가 되면 미생물의 대사 작용에 의해서 완전하게 생분해되고 토양 미생물이 활성화되고 토양 생태계에 유해하지 아니한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등과 같은 합성수지가 사용되지 아니하여 조성물의 용융온도가 낮아 공정 시간이 단축되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 완전하게 생분해가 되어 작물 수확 후 멀칭필름을 수거하지 아니하여도 되어 노동력이 절감되거나 소각하지 않아도 되고 소각시 폴리에틸렌(PE)에 비하여 이산화탄소(co2)가 약 30% 저감되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 탄산칼슘(CC)이 포함되어 토양 중에 방치하여도 산성 토양을 개선하고 식물이나 과일에 칼슘의 영양분을 공급하는 효과가 있다.

도 1: 본 발명의 생산 개념도.
도 2: 본 발명의 실시예의 작물별 사용 기간에 따른 생분해 상태의 사진.
도 3: 생분해 화합물이 토양의 생태계에 미치는 지렁이에 대한 유해성 테스트 그래프.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명한다.

본 발명의 생분해성 농업용 멀칭필름은 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT: PolyButylene Adipate-co-Terepthalate), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA: PolyButylene Succinate-co-Butylene Adipate)에 탄산칼슘(CC: Calcium Carbonate)과 같은 무기물을 충진하여 소각시에도 환경오염을 방지할 수 있고 멀칭으로 사용되면 산가에 의해 토양의 수분에 상관없이 일정시간이 경과 된 후에는 자연상태에서 미생물에 의해 분해된다.

본 발명의 생분해성 농업용 멀칭필름의 생산 과정을 간단하게 설명하면, 각각 호퍼 및 히터를 구비한 압출기(1)와 압출기(1)에서 각각 융융 압출되는 융융수지를 압출하는 블로운 필름 성형장치(2)에서 상승되는 원통형 튜브(3)의 상부를 협착시키는 안내판(4)과 협착된 원통형 튜브(3)가 완전하게 접히게 하여 2겹의 멀칭필름이 되게 하는 다수의 롤러와 멀칭필름이 통과하면서 필름을 종단 방향으로 절단하는 절단칼이 구성된 멀칭필름 절단기(30)와 절단된 멀칭필름에 회전하는 천공칼로 관통공을 천공하는 멀칭필름 천공기(50) 및 완성된 생분해성 농업용 멀칭필름을 롤러에 감는 권취기(7)로 구성된다.

상기 압출기(1)의 호퍼에 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 40~90중량부, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 5~20중량부 및 탄산칼슘(CC) 5~40중량부로 투입 혼합하고 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물이 산가 0.3~3.0되게 별도로 수산화 칼륨(KOH)을 투입하여 압출기(1)의 히터로서 호퍼에 투입된 재료를 용융하여 압출 스크류로 압출하면 융융된 합성수지는 블로운 필름 성형장치(2)를 통하여 115~240℃의 온도로 압출되면서 소직경의 멀칭필름로 되어 상향 압출된다.

상기 블로운 필름 성형장치(2)를 통하여 상향 압출되는 소직경의 멀칭필름이 상승되면서 송풍기를 통하여 소직경의 멀칭필름 내로 공기를 공급하면 송풍되는 공기압에 의하여 팽창되어 일정 직경의 멀칭필름가 연속적으로 형성된다.

상기 멀칭필름는 상부가 협착되도록 일정한 경사각을 갖는 경사안내판(4)에 의하여 양 측면이 상호 인접된 상태로 이송되다가 협착롤러(5)에 의하여 내부 공기가 완전하게 제거된 상태로 유도 인출된 후 반폭 2겹의 멀칭필름으로 되어 각종 보조롤러(6)를 거쳐 이송되면서 멀칭필름 절단기(30)의 절단칼에 의하여 필름을 종단 방향으로 절단되고 멀칭필름 천공기(50)의 천공칼에 의하여 필름에 관통공이 천공되어 생분해성 농업용 멀칭필름으로 완성되어 권취기(7)에 감기게 된다.

상기 압출기(1)의 호퍼에 투입된 칩 또는 분말은 용융수지가 되어 블로운 필름 성형장치(2) 내에서 융융수지가 일정한 폭으로 된 한 장의 원통형 필름으로 배출되면서 에어링의 송풍공기에 의하여 냉각되고 보조롤러(6)에 의해 폴딩되고 폴딩된 필름에서 필름 절단기(30)의 절단칼로 필름의 일부분을 종단 방향으로 절단하고 멀칭필름 천공기(50)의 천공칼로 일정간격으로 관통공을 천공하여 권취기(7)로 권취하면 본 발명의 생분해성 농업용 멀칭필름이 성형된다.

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)에 비하여 용융 가공성과 유연성이 다소 떨어지고 기계적 강도가 양호하고 방향족 폴리에스테르(Polyester)계의 열가소성 중합체의 고분자로서 가수분해에 의하여 토양 중의 미생물 등에 의해 이산화탄소와 물로 분해되는 생분해성을 갖는다.

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 반복단위와 하기 화학식 2로 표시되는 제2 반복단위를 포함하는 방향족 폴리에스테르 수지로서 80,000~300,000의 중량평균분자량을 갖는다.

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 한국 롯데정밀화학주식회사의 EnPol, 프랑스 듀퐁(DuPont)사의 Biomax, 이탈리아 노바몬트(Novamont)사의 Origo-Bi, 미국 Eastman Chemical사의 Easter Bio 등의 제품이 시판되고 있다.

상기 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)는 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)에 비하여 유연성이 다소 양호하나 기계적 강도가 부족하며, 가수분해 속도가 너무 빨라 필름으로 제작하여 보관할때 물성이 급격히 하락하여 찢어지는 등 제품으로서 결함이 있고 지방족 폴리에스테르(Polyester)계의 열가소성 중합체의 고분자로서 토양 중의 미생물 등에 의해 이산화탄소와 물로 분해되는 생분해성을 갖는다.

상기 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)는 하기 화학식 3로 표시되는 제1 반복단위와 하기 화학식 4로 표시되는 제2 반복단위를 포함하는 지방족 폴리에스테르 수지로서 50,000~200,000의 중량평균분자량을 갖는다.

상기 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)는 한국의 (주)SK종합화학의 SG-100, SG-200, 한국의 (주)이레화학의 G-4460, 일본 쇼와 하이폴리머사의 비오놀레, 일본lreChemical사의 엔폴루, 독일 BASF사의 Ecoflex 등의 제품이 시판되고 있다.

본 발명은 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 40~90중량부, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 5~20중량부 및 탄산칼슘(CC) 5~40중량부로 구성되고, 바람직하게는 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 47~84중량부, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 8~17중량부 및 탄산칼슘(CC) 8~36중량부로 구성된다.

본 발명은 기지가 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)와 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)를 적정 비로 혼합되어 우수한 생분해성과 기계적 강도를 가지면서도 보다 향상된 유연성을 갖고 생분해 기간이 조절되어 다양한 생분해성 농업용 멀칭필름으로 사용할 수 있다.

본 발명은 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)와 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)를 기지로 하는 생분해성 화합물만으로 조성되어 고분자가 저분자화되고 미생물이 완전히 소화시킬 수 있는 크기로 분해가 되면 미생물의 대사 작용에 의해서 완전하게 생분해되면서 토양 미생물이 활성화되고 토양 생태계에 유해하지 아니한다.

본 발명은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등과 같은 합성수지가 사용되지 아니하여 조성물의 용융온도가 낮아 공정 시간이 단축되고, 완전하게 생분해가 되어 작물 수확 후 멀칭필름을 수거 또는 소각하지 아니하여도 되므로 노동력이 절감되거나 소각 비용이 절감되고 소각시 폴리에틸렌에 비하여 이산화탄소(co2)가 30% 저감되는 효과가 있다.

폴리유산(PLA: Poly Lactic Acid)은 바이오 매스를 발효하여 얻는 젖산(Lactide) 단량체를 중합하여 형성하는데, 이 중합체 수지 소재는 매우 취성이 강하여 폴리유산(PLA) 만을 재료로 하여 멀칭필름을 제작하는 경우에는 멀칭필름이 쉽게 절단되므로 이를 보완하기 위하여 열가소성 전분(TPS: Thermo Plastic Starch)을 혼용하여 멀칭필름이 특허 출원되어 있으나 폴리유산(PLA)과 열가소성 전분(TPS)은 융융온도가 상이하여 융융온도에 따라 폴리유산(PLA)이 물과 같이 되어 멀칭필름을 성형하는데 어러움이 있고 열가소화가 잘되지 아니하여 멀칭필름의 형체를 만들기가 쉽지 않는 문제점이 있다.

또한, 상기 멀칭필름은 노지에서 사용하는 것으로서 멀칭필름에 열가소성 전분(TPS)을 사용하게 되면 자연 상태의 노지라도 노지의 수분함량이 다르기 때문에 멀칭필름의 생분해성 속도가 노지에 따라 제 각각 다르게 되어 열가소성 전분(TPS)이 사용된 멀칭필름은 실용성이 떨어진다.

본 발명은 폴리유산(PLA)을 기지로 하는 멀칭필름의 문제점을 해소하기 위하여 폴리유산(PLA)보다 열가소화가 용이한 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)를 기지로 하는 멀칭필름을 성형하는 것이다.

상기 생분해성 농업용 멀칭필름이 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 만으로 구성되면 결성 즉, 기계 방향(MD)으로 찢어짐이 발생하게 되는데 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)에 탄산칼슘(CC)을 5~40중량부의 적정량을 용융 혼련하게 되면 필름의 기계적 강도가 증가하면서 결성이 발생하지 아니하게 된다.

상기 탄산칼슘(CC)이 5중량부 미만일 경우에는 필름의 인성, 강도 및 연질성이 열등하게 되고, 탄산칼슘(CC)이 40중량부 이상일 경우에는 필름의 강도가 상승하나 유연성과 접착성이 저하된다.

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 등의 방향족/지방족 폴리에스테르계 생분해성 수지는 이소시아네이트류의 사슬연장제를 사용하여 분자량을 증가시켜 중합체간의 결합을 유도하여 기계적 강도를 높이는 것이 일반적인데 본 발명은 이소시아네이트류의 사슬연장제의 역할을 탄산카슘(CC)이 담당하게 하여 기계적 강도를 증가시킨 것이다.

상기 멀칭필름이 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 만으로 구성되면 결성 즉, 주행방향(MD: 기계적 방향)으로 찢어짐이 발생하게 되는데 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 40~90중량부에 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 5~20중량부 및 탄산칼슘(CC) 5~40중량부의 적정량을 용융 혼련하게 되면 필름의 강도가 증가하면서 결성이 발생하지 아니하게 된다.

상기 멀칭필름이 기계적 방향으로 찢어지다가 탄산칼슘(CC)이 결성을 방지 즉, 결성이 탄산칼슘(CC)이 있는 곳에서 정지하게 되고, 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)가 탄산칼슘(CC)을 결합하는 고리 역할을 하게 되고 분해되게 되면 탄산칼슘(CC)이 떨어져 나가게 되면서 수분 등에 의해 분해되어 토양에 흡수되고, 탄산칼슘(CC)이 토양 중에 방치하여도 산성 토양을 개선하고 식물이나 과일에 칼슘의 영양분을 공급하게 된다.

상기 탄산칼슘(CC)은 석회질 비료의 주성분으로서 산성 토양을 개선하고 식물이나 과일에 칼슘성분을 공급해 주는 역할을 하고 석회석, 대리석, 방해석, 선석(霰石), 백악, 빙주석(氷洲石), 조개 껍질, 달걀 껍질, 산호의 주성분이다. 상기 탄산칼슘(CC)은 침상, 편삼각면체, 육면체, 구형, 판상 또는 프리즘 형상으로 구성된다.

상기 탄산칼슘(CC)은 수분의 함유 여부에 따라 크게 습식제품(Slurry) 건식제품(Powder)으로 나누고, 물리 화학적 처리 방법에 따라 경질탄산칼슘(PCC: Precipitated Light Calcium Carbonate)과 중질탄산칼슘(GCC: Ground Calcium Carbonate)으로 구분된다. 본 발명은 건식분쇄로 이루어지고 화학반응이 동반되지 않는 중질탄산칼슘(GCC)을 사용한다.

상기 탄산칼슘(CC)은 입자 크기가 0.3～3.5μm로 구성되며 바람직하게는 탄산칼슘(CC)의 입자 크기는 0.6～3.0μm로 구성된다. 상기 탄산칼슘(CC) 입자가 0.3μm 미만일 경우에는 멀칭필름의 표면이 매끈하게 되나 탄산칼슘(CC)의 가공이 어렵고 탄산칼슘(CC)의 단가가 고가가 되고, 탄산칼슘(CC) 입자가 3.5μm 이상일 경우에는 탄산칼슘(CC)의 가공이 용이하나 필름 표면이 매우 거칠어 진다. 상기 탄산칼슘(CC)의 입자 크기가 0.3～3.5μm로 구성되어 생산 원가가 저렴하면서 멀칭필름의 표면이 적당하게 매끈하게 된다.

상기 중질탄산칼슘(GCC) 미분말은 원광석을 조크러쉬(Jaw Crush), 롤크러쉬(Roll Crush), 함머밀(Hammer Mill), 로드밀(Rod Mill), 볼밀(Ball Mill) 또는 콘크러셔(Cone Crusher) 등을 이용하여 반복적으로 파쇄하는 건식분쇄 공정 또는 원광석을 조크러쉬(Jaw Crush), 롤크러쉬(Roll Crush), 함머밀(Hammer Mill), 로드밀(Rod Mill), 볼밀(Ball Mill) 또는 콘크러셔(Cone Crusher) 등을 이용하여 반복적으로 파쇄하는 건식분쇄 공정 후 습식사이클론에 통과시켜 슬러리를 습식 원심분리기에 의해 선별된 미세한 입자의 현탁액을 농축하여 습식분쇄탄산칼슘을 제조하거나 슬러리를 스프레이드라이어(Spray-dryer)를 이용하여 건조하는 습식분쇄 공정 후 탄산칼슘(CC)을 필요한 입경 즉, 평균입경 0.3～3.5μm으로 되게 진동스크린 또는 분급기(Classifier)를 통하여 분급(Classification)한다.

상기 분급(Classification)은 입도 크기별로 고체 입자를 분리하는 방법으로서 미분쇄된 탄산칼슘(CC) 분말을 진동되는 메쉬(mesh)가 미세한 체로 걸러거나 미분쇄된 탄산칼슘(CC) 분말의 침강 속도의 차이를 이용한 분급기를 통하여 굵은 입자들을 선별 분리하여 굵은 입자의 양을 줄임으로써 입경 분포가 양호한 미세 탄산칼슘(CC) 분말을 얻는다.

상기 생분해성 농업용 멀칭필름은 산가(Acid Value) 0.3~3.0로 구성되며 바람직하게는 생분해성 농업용 멀칭필름의 산가는 0.8~2.5로 구성된다. 상기 산가가 0.3 미만일 경우에는 필름의 생분해 속도가 늦게 되어 작물 수확 후에도 필름이 분해되지 아니하게 되고, 산가가 3.0 이상일 경우에는 필름의 생분해 속도가 매우 빠르게 되어 작물의 싹이 나기 전에 분해가 시작되어 토양의 온도를 유지하지 못하게 된다. 상기 생분해성 농업용 멀칭필름은 기간을 산가 0.3~3.0의 조정으로 생분해성 속도가 조절되어 작물의 종류 및 생육 기간(예를 들면 3개월, 6개월, 8개월)에 따라 적응성이 양호하고 작물의 생장속도 및 수확량에 영향을 미치지 아니한다.

상기 산가는 생분해성 농업용 멀칭필름 중의 산성 성분의 양으로 시료 1g의 산성 성분을 중화하는 데 필요한 수산화 칼륨(KOH: Potassium Hydroxide)의 양을 mg 단위로 표시한 수로서 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물에 촉매로 사용되는 수산화 칼륨(KOH)의 첨가에 의하여 산가를 조절하며 일반적으로 가수분해 안정성은 산가가 낮을수록 우수하고 산가는 알칼리 촉매로 결정한다.

상기 수산화 칼륨(KOH)은 무기화합물의 백색 고체로서 수분 및 이산화탄소를 흡수하는 성질이 강하고 수분 및 이산화탄소를 흡수할 때 생성되는 탄산칼륨의 용해도가 크고 1, 2 및 4수화염이 존재하며 녹는점은 각각 143℃, 35.5℃ 및 －32.7℃이고, 그 사이의 전이 온도는 32.5℃, －33℃이다.

상기 알칼리 촉매는 수산화 칼륨(KOH)외에 수산화나트륨(Sodium Hydroxide), 수산화칼슘(Calcium Hydroxide), 무수탄산나트륨(Sodium Carbonate Anhydrous) 및 무수탄산칼륨(Potassium Carbonate Anhydrous) 등을 사용할 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상 혼합에 의하여 결정되며 이로 인하여 산가의 조절이 용이하다.

상기 알칼리 촉매의 첨가량은 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물의 100중량부에 대하여 0.01~0.25 중량부를 사용하며, 바람직하게는 0.06 ~ 0.20 중량부를 첨가하여 사용한다.

상기 알칼리 촉매의 첨가량이 0.01 중량부 미만일 경우에는 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물의 산가가 3.0 이상이 되고, 알칼리 촉매의 첨가량이 0.25중량부 이상일 경우에는 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물의 산가가 0.3 이하가 된다.

상기 생분해성 농업용 멀칭필름은 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물의 100중량부에 대하여 산화방지제 0.05~0.45중량부가 더 포함되며 바람직하게는 산화방지제는 0.09~0.40중량부로 구성된다.

상기 산화방지제가 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물의 100중량부에 대하여 0.05중량부 미만일 경우에는 침적(plate-out) 또는 블루밍(blooming)과 같은 현상이 발생되고, 산화방지제가 0.45중량부 이상일 경우에는 생분해성 농업용 멀칭필름의 융융 압출 시의 고온에서 색상이 안정화되어 블루밍(blooming) 현상이 없고 열에 의한 산화가 억제된다.

상기 산화방지제는 힌더드 페놀, 힌더드 아민, 황화합물, 인계화합물 등과 같은 종래의 합성화합물, 아스코르빈산 또는 그 유도체의 천연화합물 또는 사과화합물을 사용한다. 예를 들면, 상기 힌더드 페놀 산화방지제의 대표적인 것으로는 테트라키스(메틸렌-3-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트)메탄(Tetrakis(methylene-3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate)methane), 옥타데실-3-(3,5-디-터트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트(octadecyl-3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate) 또는 이들의 조합이 있다.

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC)의 혼합물의 100중량부에 대하여 세라믹(Ceramics) 5~15중량부가 더 포함되며 바람직하게는 세라믹은 8~13중량부로 구성되며 세라믹의 입도 200~600메쉬(mesh)의 분말로서 바람직하게는 입도 300~400메쉬(mesh)의 분말이다.

상기 세라믹이 5중량부 미만인 경우에는 결합력이 저하되어 제품의 강도가 저하되고 세라믹이 15중량부를 초과하는 경우에는 강도는 상승하나 분해시간이 길어지고 세라믹 입도가 200메쉬(mesh) 미만인 경우에는 분말의 입경이 커서 멀칭필름의 표면 거칠기가 불량하게 되고 세라믹 600메쉬(mesh)를 이상일 경우에는 입자들의 표면적이 커서 원적외선 방사 효과가 증진되고 작업성은 좋으나 특수 정밀 분쇄를 하여야 하기 때문에 가공 단가가 고가로 된다.

상기 세라믹은 천매암, 석영(石英), 백운모(白雲母), 견운모(絹雲母), 철, 마그네슘, 녹니석(綠泥石), 석류석(石榴石), 클로리토이드(chloritoid), 백운모, 흑운모, 알바이트(albite), 스핀(sphene), 인회석(燐灰石), 전기석, 흑연(黑鉛), 저콘, 알루미나(alumina), 산화규소(Silica), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화나트륨(sodium oxide), 산화티탄(titanium dioxide), 지르코니아(zirconia), 탄화규소(silicon carbide). 질화규소(silicon nitride), 티탄산바륨(barium titanate) 중에서 어느 하나 이상으로 구성된다.

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA) 및 탄산칼슘(CC) 혼합물의 100중량부에 대하여 안료 5~9중량부가 더 포함되며 바람직하게는 7~8중량부로 구성된다.

상기 안료가 5중량부 미만인 경우에는 멀칭필름의 색상이 옅게 되어 태양 광의 투과량이 많게 되고 안료가 8중량부를 이상일 경우에는 멀칭필름의 색상이 양호하나 필요 이상의 안료가 소요되어 생산 단가가 고가가 된다.

상기 안료는 조입자 또는 분말화된 일반적으로 알려진 금속분안료, 무기안료 및 유기안료를 사용하고 금속분안료는 알루미늄분안료, 청동분안료및 동분안료 등이 있고, 무기안료는 카아본블랙(Carbon black), 코발트그린(Cobalt green), 코발트블루(Cobalt blue), 옐로우오커(Yellow ocher), 산화레드아이언(Oxidize red iron), 비리디안(Viridian), 카드뮴옐로우(Cadmium yellow) 및 울트라마린블루(Ultra marine blue), 이산화티타늄(TiO2) 또는 산화철그린(Iron oxide green) 등이 있으며 유기안료는 한자옐로우(Hansa yellow)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용하여 검정색을 착색하여 착색된 안료를 사용하며 안료에 의하여 멀칭필름의 색상이 결정된다.

상기 안료는 입도 200~600메쉬(mesh)의 분말로서 바람직하게는 입도 300~400메쉬(mesh)의 분말로 구성된다. 상기 입도가 200메쉬(mesh) 미만인 경우에는 분말의 입경이 커서 멀칭필름의 표면 거칠기가 불량하게 되고 입도가 600메쉬(mesh) 이상일 경우에는 표면 거칠기가 양호하나 특수 정밀 분쇄를 하여야 하기 때문에 가공 단가가 고가로 되고 가공시 미분으로 공기 중으로 비산될 우려가 크고 작업성이 열등하게 된다.

본 발명의 생분해성 농업용 멀칭필름은 필요에 따라 폴리카프로락톤(PCL: Polycaprolactone), 폴리부틸렌 석시네이트(PBS: Polybutylene succinate), 폴리부틸렌 아디페이트(PBA: Polybutylene adipate) 등의 자연계에 존재하는 생분해성 수지, 천연물에서 유래한 생분해성 합성수지, 석유화학계 생분해성 합성수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 생분해성 농업용 멀칭필름은 필요에 따라 윤활제, 난연제, 대전방진제, 열안정제, 광안정제, 자외선흡수제, 블로킹 방지제 등의 각종 첨가제들을 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서 배합할 수 있다

상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 한국 롯데정밀화학주식회사의 제품명 EnPol, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)는 한국 (주)SK종합화학의 제품명 SG-200을 사용하여 본 발명의 생분해성 농업용 멀칭필름을 실시예에 따라 물성평가를 다음과 같이 측정하였다.

(1) 산가

수지 0.5g를 클로로포름 20ml로 용해한 후 에탄올을 첨가한 용액을 자동적정기(Autotitrator)에서 0.1N 수산화 칼륨(KOH)으로 적정하여 산가를 계산하였다.

(2) 인장강도, 인열강도 및 연신율

KS M 3503의 7.6 인장강도 및 연신율 시험방법에 준하여 시료의 파단 시 인장강도(kgf/㎠), 인열강도(kgf/cm)및 신율(%)을 측정하였고, 기계 방향(MD) 및 기계 방향(MD)에 수직인 폭방향(TD)에 대해 각각 측정한 뒤 가장 낮은 값을 취하였다.

(3) 생분해성

KS M 3100-1 퇴비화 조건에서의 플라스틱의 호기성 생분해도 측정방법에 의해 표준시료(셀룰로오즈)와 시험 시료의 발생된 이산화탄소의 양을 측정해서 평가 하였다.

생분해도(%)= (발생 이산화탄소의 양/ 이론적 이산화탄소 량)*100

상기 본 발명 생분해성 농업용 멀칭필름은 필름성형기(대륜기계㈜, 기종: 50mm HD/PE FILM M/C)를 상용하여 압출기의 온도 조건을 115~240℃ 범위로 하여 압출기 실린더 및 다이(die) 온도를 적절히 조정하여 압출속도 500 rpm, 원료투입속도는100 rpm, 롤속도 200rpm으로 하여 두께 15㎛의 검정색 필름을 절단 제조하였으며 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 6에 대한 조성물은 다음 표 1과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 산가는 다음의 표 1과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 조성물 현황은 다음의 표 2와 같다.

* 안료는 PBAT, PBSA 및 탄산칼슘 100중량부에 대한 중량부임.

본 발명의 실시예에 따른 물성 평가결과는 다음의 표 3과 같다.

상기 표 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 6은 기계 방향(MD)에서 인장강도가 461~483kgf/㎠, 인열강도가 172~198kgf/cm 및 연신율이 254~283%로서 본 발명은 인장강도 및 연신율이 저하되지 아니하면서 25일 생분해도가 58~83%로서 뛰어나고 산가에 따라 생분해도가 상이함을 확인할 수 있었다.

그리고, 상기 도 2의 본 발명의 실시예의 작물별 사용 기간에 따른 생분해 상태의 사진에서 산가 0.5의 마늘에 대한 것은 경상북도 안동시 일직면의 밭에서의 실시한 실제 피복 상태에 의한 생분해 결과의 사진이고, 산가 1.4의 잡곡에 대한 것은 강원도 원주시 인제군 인제읍의 밭에서 실시한 실제 피복 상태에 의한 생분해 결과의 사진이고, 산가 2.7의 감자에 대한 것은 강원도 횡성군 둔내면의 밭에서 실시한 실제 피복 상태에 의한 생분해 결과의 사진이다.

상기 도 2의 사진은 멀칭필름의 산가별로 실제 토양(안동시 일직면, 인제군 인제읍, 횡성군 둔내면)에 피복한 상태에서 일정 기간 경과 후 피복된 필름의 분해 진행 상태를 육안으로 확인해보는 방법으로 생분해성을 측정하였고 토양 미생물의 작용으로 번식된 곰팡이의 관찰결과에 의하여 작물별 생육기간인 단기(3개월), 중기(6개월) 및 장기(8개월)로 구분하여 조성물 및 산가를 결정하였다.

상기 산가 0.5인 생분해성 필름은 180일간 밭에서의 실제 피복 상태에서 약 95%가 분해되었고, 산가 1.4인 생분해성 필름은 110일간 밭에서의 실제 피복 상태에서 약 80%가 분해되었고, 산가 2.7인 생분해성 필름은 90일간 밭에서의 실제 피복 상태에서 약 90%가 분해되었다.

상기 물성평가 결과의 생분해와 실제 피복에 의한 생분해의 결과에서 차이가 발생하는 원인은 물성평가에서는 실험실에서 미생물 번식의 최적 상태를 유지하여 미생물의 번식이 양호한 상태였고, 실제 피복에서는 미생물 번식을 위한 수분 공급을 자연에 의존하여 미생물 번식 조건이 양호하지 아니하였기 때문인 것으로 판단되나 실제 토양 매립에서도 생분해가 양호하게 되었음을 알 수 있다.

본 발명의 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 않으며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 점에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

그러므로, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되고 본 발명의 출원 시점에 있어서 변형 예들이 가능하거나 존재할 수 있음을 이해하여야 할 것이고 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1: 압출기 2: 블로운 필름 성형장치
3: 튜브 4: 안내판
5: 협착롤러 6: 보조롤러
7: 권취기 30: 멀칭필름 절단기
50: 멀칭필름 천공기