KR100430825B1

KR100430825B1 - 종이 코팅용 라텍스

Info

Publication number: KR100430825B1
Application number: KR10-1999-0025150A
Authority: KR
Inventors: 여승욱; 김노마; 최호열
Original assignee: 주식회사 엘지
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2004-05-10
Also published as: KR20010004471A

Abstract

본 발명은 종이 코팅용 라텍스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일한 구조의 겔 함량을 가지고 있어 각 물성들간의 조화가 쉽지 않은 종래의 라텍스를 개선하기 위하여 가장 높은 겔 함량을 가지는 씨앗(seed), 가장 낮은 겔 함량을 가지는 제1껍질 및 중간 정도의 겔 함량을 가지는 제2껍질의 삼중구조로 스티렌-부타디엔계 라텍스를 형성함으로써 적절한 접착력과 내수성, 착육성 등 균형잡힌 인쇄적성을 가질 수 있고, 라텍스의 조절된 겔 구조에서 씨앗과 제1껍질, 제2껍질의 서로 다른 겔 구조가 상보작용을 하여 단일한 구조의 겔 함량을 가지는 라텍스에 비하여 우수하면서도 균형있는 물성을 얻을 수 있는 종이 코팅용 라텍스에 관한 것이다.

Description

종이 코팅용 라텍스 {Latex for paper coatings}

종이 제조에 있어서 종이 표면에는 종이에 인쇄도와 같은 목적하는 특성을 부여할 수 있는 조성물을 코팅하게 되는데, 이 종이 코팅 조성물은 대부분 통상적으로 접착제를 함유하는 수성 매질 중의 안료 또는 충진제의 현탁액으로 이루어진다. 종이 코팅 조성물은 상기한 바와 같이 안료와 접착제 및 기타 첨가제로 이루어진다. 이중에서 접착제로는 스티렌-부타디엔계 라텍스와 같은 합성 라텍스가 주로이용되며, 이 접착제가 인쇄지의 품질에 끼치는 영향은 매우 크다.

이와 같은 종이 코팅 조성물을 코팅하는 방법으로는 코팅액을 도포기-롤(applicator-roll)로부터 종이 표면으로 이송시키며, 이때 도포된 과잉량은 블레이드(blade) 또는 에어-나이프(air-knife) 등 적합한 기술을 사용하여 제거하는 방법이 있다. 코팅된 종이는 주로 적외선을 이용하여 고온에서 짧은 시간 동안 건조시킨 후, 적합한 압력과 온도에서 캘린더 가공(Calendering)하게 된다. 이렇게 제조된 코팅지는 인쇄공정을 거쳐 인쇄지가 된다. 이때, 인쇄 공정상의 문제없이 높은 인쇄품질의 종이를 얻기 위해서는 코팅지가 다양한 인쇄적성을 만족시켜야 한다.

종이의 인쇄방식으로는 볼록판 인쇄법, 평판 인쇄법, 오목판 인쇄법 등의 3가지 방식이 있으나, 이중 가장 일반적으로 사용되고 있는 인쇄방식은 평판 인쇄법, 즉 옵셋 인쇄법이다.

최근 여러 가지 이유에서 인쇄속도의 증가 경향이 나타나고 있으며, 이는 특히 옵셋 인쇄에서 두드러지고 있다. 이에 따라 코팅지는 더욱 가혹한 조건에서도 다양한 인쇄적성을 만족시켜야 하는 과제를 안게 되었다. 이는 일반적으로 원지(Base paper) 자체의 품질 향상 뿐만 아니라 적합한 종이 코팅 조성물의 적용이 가능해야 해결될 수 있다.

중요한 인쇄적성으로는 우선 접착력(건조강도, dry pick resistance)이 있다. 접착력의 중요성은 옵셋 인쇄에서의 고속 인쇄화의 경향으로 인해 코팅액의 요구조건으로 계속 높아지고 있다. 즉, 인쇄시의 안료 코팅지 표면에 대한 강한 기계적인 힘에 대항해서 안료의 탈락 및 코팅층으로부터 박리가 일어나지 않음으로써 깨끗한 인쇄외관을 나타내야 한다.

또 하나의 중요한 코팅액 성질로 잉크건조속도가 있다. 다색 인쇄의 경우 일반적으로 파랑, 검정, 빨강, 노랑 등 4가지 색에 의한 중복인쇄를 거치게 되는데, 인쇄속도가 빨라질수록 다음 색 인쇄까지의 시간 간격이 짧아지게 되므로 보다 빠른 잉크건조속도가 요구된다. 잉크가 충분히 건조되지 않고 다음 단계로 넘어가게 되면 인쇄 모틀(print mottle)이나 뒷묻음 현상이 나타날 수 있다. 겔 함량과 잉크건조속도와의 관계는 겔 함량에 따른 필름형성력의 차이에서 나타날 뿐만 아니라 라텍스 입자가 함유할 수 있는 용매의 양인 스웰 지수(swelling index)에 의한 차이에서도 표출된다.

또한, 인쇄지의 상품성을 높이고 고급화를 추구할 수 있는 중요한 물성으로 광택이 있다. 광택은 코팅지의 백지광택과 인쇄후의 인쇄광택으로 나눌 수 있는데, 이 두 가지 모두 높을수록 미려한 외관을 나타낸다.

백지광택을 높이기 위해서는 일반적으로 라텍스의 입경을 크게 하거나 코팅액 중 라텍스 함유량을 낮추는 등의 방법이 사용될 수 있으나 이 경우 접착력이 낮아지는 단점이 있다. 그리고, 인쇄광택을 높이기 위해서는 투기도를 낮추어서 인쇄 후 안정된 배열을 갖출 때까지 용매를 표면에 가지고 있을 필요가 있다. 이를 위해서는 적절하게 잉크건조속도를 떨어뜨려야 한다.

옵셋 인쇄시 중요한 인쇄적성으로는 내수성이 있다. 옵셋 인쇄에서는 인쇄시 습윤수를 사용하게 되는데, 이때 내수성(습윤강도, wet pick resistance)이 떨어지면 인쇄시 가해지는 강한 물리적인 힘에 의해 안료의 박리가 일어날 수 있다.

내수성과 겔 함량의 관계 역시 접착력과 마찬가지로 어떤 적절한 겔 함량에서 가장 강한 내수성을 나타낸다. 그러나, 일반적으로 접착력이 최대가 되는 겔 함량과 내수성이 최대가 되는 겔 함량은 일치하지 않으며, 보다 낮은 겔 함량에서 내수성이 최대가 되며, 보다 높은 겔 함량에서 접착력이 최대가 되는 경향이 있다.

옵셋 인쇄에서 요구되는 또 하나의 인쇄적성으로 잉크착육성이 있다. 상기한 바와 같이 옵셋 인쇄에서는 습윤수를 사용하므로 인쇄시 코팅지가 물을 효과적으로 흡수하지 않으면 물과 상용성이 없는 잉크가 코팅지에 잘 묻지 않게 되며, 이로인해 인쇄도가 낮아지는 결과를 초래한다. 일반적으로 잉크착육성과 내수성은 상반된 성질의 관계로서 이를 동시에 증대시키기는 어렵다.

이와 같이 각 인쇄적성이 모두 우수한 코팅지를 제공할 수 있는 라텍스를 제조하는 것은 대단히 어려우며, 코팅 및 인쇄조건 역시 더욱 까다로와지고 있다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 예의 연구한 결과, 가장 높은 겔 함량을 가지는 씨앗, 가장 낮은 겔 함량을 가지는 제1껍질 및 중간 정도의 겔 함량을 가지는 제2껍질의 삼중구조로 스티렌-부타디엔계 라텍스를 형성함으로써 우수한 인쇄물성을 얻을 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 접착력, 잉크건조속도, 백지광택, 내수성 및 잉크착육성 등의 여러 물성들이 적절하게 균형을 이룬 신규한 종이 코팅용 라텍스를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 겔 함량이 80 ∼ 95%인 씨앗, 겔 함량이 35 ∼ 60%인 제1껍질 및 겔 함량이 60 ∼ 80%인 제2껍질을 함유하는 종이 코팅용 라텍스를 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 종이 코팅용 라텍스는 씨앗, 제1껍질 및 제2껍질의 삼중구조로 형성된 종이 코팅용 스티렌-부타디엔계 라텍스에 있어서, 씨앗은 가장 높은 겔 함량을 가지고, 제1껍질은 가장 낮은 겔 함량을 가지며, 제2껍질은 씨앗과 제1껍질의 중간 정도의 겔 함량을 가지는 구조조절 라텍스로서 각 공정은 유화중합에 의해 이루어진다. 상기와 같은 구조를 가지며 라텍스의 겔 구조를 조절하면, 씨앗과 제1껍질, 제2껍질의 서로 다른 겔 구조가 상보작용을 함으로써 단일한 구조의 겔 함량을 가지는 라텍스에 비하여 우수하면서도 균형있는 물성을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 각 단계별 공정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제 1 공정에서는 씨앗을 초기중합하는 바, 씨앗은 스티렌 35 ∼ 70 중량부, 부타디엔 30 ∼ 55 중량부, 아크릴로니트릴 0.5 ∼ 10 중량부, 메틸메타크릴레이트 1 ∼ 15 중량부, 이타콘산 1 ∼ 15 중량부, 아크릴산 1 ~ 8 중량부 및 적당량의 연쇄이동제(Chain transfer agent)로 구성된다.

코팅지의 접착력에 미치는 스티렌-부타디엔 라텍스의 물성요인은 유리전이온도, 입경, 단량체 조성 등 여러 가지가 있으나, 본 발명에서 주목한 것은 겔 함량이다. 일반적으로 접착력은 어떤 적절한 겔 함량에서 가장 높게 나타나며, 그 적절한 겔 함량은 단량체의 조성 등에 따라 달라진다. 따라서, 상기 씨앗의 겔 함량은 80 ∼ 95%, 바람직하게는 82 ∼ 90%가 좋다. 만일 씨앗의 겔 함량이 80% 미만이면 제1껍질과 제2껍질의 효과적인 피복이 이루어지지 않으며, 적절한 강도를 갖지 못한다. 또한, 상기 제 1 공정에서 중합한 씨앗은 그 크기를 적절하게하여 제조하는 것이 중요한 바, 이는 전체적인 겔 구조의 균형을 맞추는 방향으로 설정되어야 하며, 각각의 겔 구조가 효과적으로 배치될 수 있도록 해야 한다. 따라서, 제 1 공정에서 씨앗의 유화중합 후 평균입경이 50 ∼ 90㎚ 되어야 하며, 바람직하게는 55 ∼ 80㎚가 적절하다. 만일 평균입경이 50㎚ 미만이면 강도가 낮아질 수 있고, 90㎚를 초과하면 접착력이 낮아지는 문제가 있다.

제 2 공정에서는 상기 제 1 공정에서 제조된 씨앗 라텍스 위에 제1껍질을 피복하는 공정으로서, 제1껍질은 스티렌 40 ∼ 75 중량부, 부타디엔 23 ∼ 55 중량부, 아크릴로니트릴 1 ~ 8 중량부, 메틸메타크릴레이트 1 ~ 8 중량부, 이타콘산 0.5 ∼ 10 중량부, 아크릴산 1 ∼ 20 중량부 및 적당량의 연쇄이동제로 구성된다.

이때, 제1껍질의 겔 함량은 35 ∼ 60%, 바람직하게는 45 ∼ 58%가 적절하다. 만일, 제1껍질의 겔 함량이 35% 미만이면 접착력과 광택 등이 저하될 수 있으며, 겔 함량이 60%를 초과하면 내수성이 저하되는 문제가 있다.

상기와 같은 제1껍질 중합후 평균입경은 130 ∼ 170㎚, 바람직하게는 135 ∼ 150㎚가 되어야 한다. 만일, 평균입경이 130㎚ 미만이면 잉크 건조 속도가 낮아질수 있고, 170㎚를 초과하면 인쇄광택이 낮아질 수 있다.

제 3 공정은 상기 제 2 공정에서 제조된 라텍스 위에 제2껍질을 피복하여 최종 라텍스를 제조하는 공정으로서, 제2껍질은 스티렌 35 ∼ 70 중량부, 부타디엔 30 ∼ 65 중량부, 아크릴로니트릴 1 ~ 8 중량부, 메틸메타크릴레이트 1 ~ 8 중량부, 이타콘산 1 ~ 5 중량부, 아크릴산 1 ∼ 15 중량부 및 적당량의 연쇄이동제로 구성된다. 이때, 제2껍질의 겔 함량은 60 ∼ 80%, 바람직하기로는 67 ∼ 78%가 적절하다. 만일 제2껍질의 겔 함량이 60% 미만이면 분자량의 감소로 접착력이 낮아지며, 겔 함량이 80%를 초과하면 내수성이 저하되며, 필름형성력의 감소로 인해 접착력이 떨어질 수 있다.

이러한 제2껍질 중합 후 최종 라텍스의 평균입경은 150 ∼ 190㎚가 되어야 하며, 바람직하기로는 160 ∼ 180㎚가 되어야 한다. 만일 평균입경이 150㎚ 미만이면 백지광택이 낮아지고, 190㎚를 초과하면 접착력이 떨어질 수 있다.

상기와 같이 서로 다른 겔 함량을 갖는 씨앗, 제1껍질 및 제2껍질을 갖는 종이 코팅용 라텍스는 적절한 접착력과 내수성, 착육성 등 균형잡힌 인쇄적성을 가질 수 있고, 씨앗과 제1껍질, 제2껍질의 서로 다른 겔 구조가 상보작용을 하여 단일한 구조의 겔 함량을 가지는 라텍스에 비하여 우수하면서도 균형있는 물성을 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

제 1 공정

교반기, 온도계, 냉각기, 질소가스의 인입구와 단량체, 유화제 및 중합반응개시제를 연속적으로 투입할 수 있도록 장치된 10ℓ 가압 반응기를 질소로 치환한 후, 부타디엔 33 중량부, 스티렌 42 중량부, 메틸메타크릴레이트 12 중량부, 아크릴로니트릴 8 중량부, 이타콘산 5 중량부, 도데실 디벤젠 술폰산 나트륨 6 중량부, t-도데실 머캅탄 0.15 중량부, 나트륨바이카보네이트 0.5 중량부 및 이온교환수 420 중량부를 채우고 65℃까지 승온하였다.

여기에 중합개시제인 칼륨퍼설페이트 1 중량부를 넣고 약 300분간 교반하여 씨앗의 중합을 완료시켰다. 이때, 얻어진 씨앗의 평균입경은 78㎚, 전환율은 98%이었으며, 겔 함량은 86%이었다.

제 2 공정

상기 제 1 공정에서 얻어진 씨앗에 제1껍질을 피복시키기 위하여 반응기에 씨앗라텍스 43 중량부를 채우고 80℃까지 승온한 후, 부타디엔 36 중량부, 스티렌 43 중량부, 메틸메타크릴레이트 8 중량부, 아크릴로니트릴 5 중량부, 이타콘산 5 중량부, 아크릴산 3 중량부, 도데실 디벤젠 술폰산 나트륨 0.9 중량부, t-도데실머캅탄 1.4 중량부, 나트륨바이카보네이트 0.4 중량부, 이온교환수 66 중량부 및 칼륨퍼설페이트 2 중량부를 170분 동안 연속 투입하여 중합하였다.

상기 성분들을 모두 투입한 후 60분간 추가 교반하여 중합을 완료하였다. 이렇게 제1껍질까지 중합이 완료된 라텍스의 평균입경은 148㎚, 전환율은 92%이었으며, 겔 함량은 55%이었다. 제1껍질의 겔 함량은 씨앗의 겔 함량이 86%인 것으로부터 계산했을 때 52%를 얻을 수 있다.

제 3 공정

상기 제 2 공정에서 얻어진 라텍스에 제2껍질을 피복시키기 위하여 제 2 공정에서 얻어진 라텍스 507 중량부가 채워져 있는 반응기의 온도를 80℃로 유지시킨 후, 부타디엔 39 중량부, 스티렌 43 중량부, 메틸메타크릴레이트 8 중량부, 아크릴로니트릴 5 중량부, 이타콘산 2 중량부, 아크릴산 3 중량부, 도데실 디벤젠 술폰산 나트륨 0.3 중량부, t-도데실머캅탄 0.7 중량부, 나트륨바이카보네이트 0.4 중량부, 이온교환수 79 중량부 및 칼륨퍼설페이트 1.5 중량부를 70분 동안 연속 투입하여 중합하였다.

상기 성분들을 모두 투입한 후 180분간 추가 교반하여 중합을 완료하였다. 이렇게 제2껍질까지 중합이 완료된 최종 라텍스의 평균입경은 172㎚, 전환율은 98%이었으며, 겔 함량은 61%이었다. 제2껍질의 겔 함량은 제1껍질까지의 겔 함량이 55%인 것으로부터 계산했을 때 75%를 얻을 수 있다.

비교예 1

상기 실시예와 동일한 방법으로 하되, 연쇄이동제인 t-도데실 머캅탄의 양을 다음과 같이 달리하여 중합하였다.

제 2 공정 - 0.8 중량부

제 3 공정 - 1.8 중량부

씨앗 라텍스의 경우, 상기 실시예의 제 1 공정에서 중합한 라텍스(겔 함량 86%)를 그대로 사용하였다. 이로부터 제조되어 제 2 공정에서 얻어진 라텍스의 겔함량은 69%이었으며, 제 3 공정으로부터 얻어진 최종 라텍스의 겔 함량은 63%이었다. 이로부터 계산한 제1껍질의 겔 함량은 67%이었으며 제2껍질의 겔 함량은 48%이었다.

비교예 2

상기 실시예와 동일한 방법으로 하되, 분자량조절제인 t-도데실머캅탄의 양을 다음과 같이 달리하여 중합하였다.

제 1 공정 - 0.25 중량부

제 2 공정 - 1.0 중량부

제 3 공정 - 1.0 중량부

제 1 공정에서 얻어진 씨앗의 겔 함량은 75%, 제 2 공정으로부터 얻어진 라텍스의 겔 함량은 61%이었으며, 제 3 공정으로부터 얻어진 최종라텍스의 겔 함량은 62%이었다. 이로부터 계산한 제1껍질의 겔 함량은 60%이었으며, 제2껍질의 겔 함량은 63%이었다.

실험예

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 라텍스를 비교, 평가하기 위하여 다음과 같이 종이 코팅액을 제조하였다. 종이 코팅액 제조시 증류수는 코팅액 고형분이 67.3% 되도록 첨가하였다.

1급 클레이 57 중량부

탄산칼슘 43 중량부

스티렌-부타디엔 라텍스 12 중량부

산화전분 1.3 중량부

제조된 종이 코팅액은 다음 조건으로 코팅하여 코팅지를 얻었다.

코팅 : 로드 수동 코팅(Rod Coating, No6)

코팅량 : 16gsm

건조 : 오븐, 130℃, 20초

칼렌다 : 수퍼칼렌다, 80℃, 100㎏/㎝, 4m/min, 2회 통과

원지 : 아트 원지(72gsm)

상기에서 제조된 코팅지에 대하여 다음에 나타낸 물성을 측정하고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

라텍스 입경:레이저 스캐터링 분석기(Nicomp사 제품)를 사용하여 측정하였다.

겔 함량:중합이 완료된 라텍스를 pH 7 ∼ 8로 조절한 후, 상온에서 24시간 이상 건조하였다. 필름이 충분히 형성되면 적당한 크기로 절단하여 80메쉬 망에 넣고 과량의 테트라하이드로퓨란에 14시간 동안 녹인 후, 불용분의 함량을 백분율로 나타내었다.

접착력:RI 인쇄기에서 수회에 걸쳐 인쇄한 후 뜯김의 정도를 육안으로 판정하여 5점법으로 평가하였다. 점수가 높을수록 접착력이 양호함을 나타내며, 태크수치(tack value) 12, 14, 16의 잉크를 각각 사용하여 측정한 후 평균치를 구하였다.

내수성:RI 인쇄기에서 몰튼 롤(molten roll)을 사용하여 습윤수를 첨가한 후인쇄하고, 그 뜯김의 정도를 상기한 접착력과 마찬가지 방법으로 측정한다. 태크수치 14의 잉크를 사용하여 1회 인쇄한 후 측정하였다.

잉크건조속도:RI 인쇄기에서 인쇄한 후, 시간에 따라 잉크가 묻어 나오는 정도를 5점법으로 측정하였다. 점수가 높을수록 잉크건조속도가 빠른 것이다.

착육성:RI 인쇄기에서 습윤수를 첨가한 후 인쇄하여 잉크 전이의 정도를 측정하였다. 낮은 태크수치의 잉크를 사용하여 뜯김이 일어나지 않도록 하였으며, 점수가 높을수록 착육성이 높은 것이다.

백지광택:광학 광택기(HUNTER type, 75。∼75。)를 사용하여, 코팅지의 여러 부분을 측정하여 평균치를 구하였다.

인쇄광택:RI 인쇄기에서 인쇄하고 24시간 경과 후, 백지광택과 동일한 방법으로 측정하였다.

구 분	실시예	비교예 1	비교예 2
접착력	4.5	3.7	4.2
내수성	4.3	4.0	4.1
잉크건조속도	4.3	3.9	4.0
착육성	4.0	4.3	4.1
백지광택	72	70	72
인쇄광택	80	80	80

상기 표 1의 결과로부터 본 발명에 따른 구조조절된 라텍스는 접착력, 내수성, 잉크건조속도, 착육성, 백지광택, 인쇄광택 등이 적절히 균형잡혀 있어 인쇄적성이 우수함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 종이 코팅용 라텍스는 서로 다른 겔 함량을 갖는 씨앗, 제1껍질 및 제2껍질을 가짐으로써 적절한 접착력과 내수성, 착육성 등 균형잡힌 인쇄적성을 가질 수 있고, 씨앗과 제1껍질, 제2껍질의 서로 다른 겔 구조가 상보작용을 하여 단일한 구조의 겔 함량을 가지는 라텍스에 비하여 우수하면서도 균형있는 물성을 얻을 수 있다.

Claims

겔 함량이 80 ∼ 95%인 씨앗, 겔 함량이 35 ∼ 60%인 제1껍질 및 겔 함량이 60 ∼ 80%인 제2껍질을 함유하는 종이 코팅용 라텍스.
제 1 항에 있어서, 씨앗은 스티렌 35 ∼ 70 중량부, 부타디엔 30 ∼ 55 중량부, 아크릴로니트릴 0.5 ∼ 10 중량부, 메틸메타크릴레이트 1 ∼ 15 중량부, 이타콘산 1 ∼ 15 중량부 및 아크릴산 1 ∼ 8 중량부로 구성된 것임을 특징으로 하는 종이 코팅용 라텍스.
제 1 항에 있어서, 제1껍질은 스티렌 40 ∼ 75 중량부, 부타디엔 23 ∼ 55 중량부, 아크릴로니트릴 1 ∼ 8 중량부, 메틸메타크릴레이트 1 ∼ 8 중량부, 이타콘산 0.5 ∼ 10 중량부 및 아크릴산 1 ∼ 20 중량부로 구성된 것임을 특징으로 하는 종이 코팅용 라텍스.
제 1 항에 있어서, 제2껍질은 스티렌 35 ∼ 70 중량부, 부타디엔 30 ∼ 65 중량부, 아크릴로니트릴 1 ∼ 8 중량부, 메틸메타크릴레이트 1 ∼ 8 중량부, 이타콘산 1 ∼ 5 중량부 및 아크릴산 1 ∼ 15 중량부로 구성된 것임을 특징으로 하는 종이 코팅용 라텍스.
(신설)제 1 항에 있어서, 씨앗의 평균입경은 50 내지 90nm이고, 씨앗을 포함하여 제1껍질까지의 평균입경은 130 내지 170nm이며, 씨앗과 제1껍질을 포함하여 제2껍질까지의 평균입경은 150 내지 190nm인 것임을 특징으로 하는 종이 코팅용 라텍스.