이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 a) 검화도가 95% 이상이며, 에틸렌 함유율이 10∼50몰%인 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체의 검화수지(EVOH)를 45∼80중량%, b) 폴리올레핀 10∼52중량%, 및 c) 검화도가 20% 이상이며, 에틸렌 함유율이 50∼95몰%인 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체의 부분검화수지(이하 "PHEVA"라 함) 또는 상기 PHEVA에 불포화산을 하나 이상 도입한 변성 PHEVA 5∼50중량%, 및 상기 PHEVA와 반응가능한 불포화산유도체를 포함하는 변성폴리올레핀 50∼95중량%를 반응시켜 얻어지는 중합체 3∼30중량%로 이루어진다.
상기 EVOH는 에틸렌과 비닐아세테이트의 공중합에 의하여 생성된 에틸렌-비닐아세테이트를 검화시킨 에틸렌-비닐알코올의 공중합체가 단독 또는 혼합되어 사용된다. EVOH의 검화도가 95% 미만일 때는 산소차단성이 충분하지 않으며, 검화도가 높을수록 산소차단성이 우수하다. 또한, EVOH의 에틸렌 함유율이 10몰% 미만일 때는 가공성이 나빠 용융성형이 어려우며 50몰%를 초과하면 산소차단성이 급격하게 저하된다.
상기 b)성분으로 사용되는 폴리올레핀으로는 에틸렌과 α-올레핀과의 공중합체와 같은 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 에틸렌-(메타)아크릴산 공중합체, 에틸렌-알킬(메타)아크릴레이트 공중합체, 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 공중합체 등을 그 예로 들 수 있으며 하나 또는 그 이상의 혼합물이 사용된다. 그 사용량은 10∼52중량%로 사용되며, 10중량% 미만이면 본 발명의 효과가 나타나기 어렵고, 52중량%를 초과하면 성형품의 산소차단성이 급격히 저하되는 경향이 있다. 상기 α-올레핀은 탄소수 4∼8개의 α-올레핀으로서, 부텐-1, 헥센-1, 4-메틸펜텐-1, 및 옥텐-1으로 이루어진 군으로부터 하나 또는 그 이상 선택되며, 상기 프로필렌 공중 합체는 프로필렌-에틸렌, 프로필렌-부텐-1, 및 프로필렌-에틸렌-부텐-1 공중합체로 이루어진 군으로부터 하나 또는 그 이상 선택된다.
상기 c) 성분은 EVOH와 폴리올레핀과의 상용성을 증가시키기 위한 상용화제 성분으로 사용되며, 검화도가 20% 이상이며, 에틸렌 함유율이 50∼95몰%인 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체의 부분검화수지(PHEVA) 또는 상기 PHEVA에 불포화산을 하나 이상 도입한 변성 PHEVA 5∼50중량%와 상기 PHEVA와 반응가능한 불포화산 유도체를 포함하는 변성폴리올레핀 50∼95중량%를 반응시켜 제조된다. 이때, 변성폴리올레핀의 사용량이 50중량% 미만이면 상용화제로서의 효과가 충분하지 못하고, 95중량%를 초과하면 본 발명의 효과가 나타나기 어려운 경향이 있다. 한편, 이렇게 제조된 중합체는 전체조성물에 대하여 3∼30중량%로 사용되며, 3중량% 미만이면 EVOH와 폴리올레핀간의 상용성이 부족하여 제조된 성형품의 외관과 성형성이 부족하고, 30중량%를 초과하면 수지조성물의 용융성형성이 나빠지는 경향이 있다.
상기 중합체는 변성폴리올레핀에 포함된 불포화산 유도체와 PHEVA의 반응에 의하여 제조된다. 상기 불포화산 유도체는 무수말레익산(maleic anhydride), 퓨마릭산(fumaric acid), 무수시트라코닉산(citraconic anhydride), 무수이타코닉산 (itaconic anhydride), 메사코닉산(mesaconic acid), 및 무수 3-알릴석시닉산(3-allylsuccinic anhydride)로 이루어진 군으로부터 하나 또는 그 이상 선택된다. 이러한 반응은 용융상태, 슬러리상태 및 톨루엔과 같은 용매를 사용한 용액상태에서 일어날 수 있다. 상기 PHEVA의 제조에 관한 방법은 미합중국 특허 제3,547,858호(1970), 일본접착협회지 Vol. 15, No.4(1979)에 제시되어 있다. 이 들 방법은 에틸렌-비닐아세테이트의 용융 상태 또는 용매에 용해시키거나 슬러리된 상태에서 알카리의 존재하에 가열하여 검화시키는 방법들이다. 변성 PHEVA는 PHEVA에 아크릴산 또는 (메타)아크릴산과 같은 불포화산을 반응시켜 얻어지는 것으로서 본 발명에 있어서의 상용화제로의 효과를 더욱 크게 할 수 있다.
PHEVA와 반응가능한 불포화산 유도체를 포함하는 변성폴리올레핀은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 첫째는, 에틸렌과 무수말레익산이 주사슬에 포함되는 랜덤공중합체로서 에틸렌과 공단량체(comonomer)인 무수말레익산의 라디칼 공중합에 의하여 생성될 수 있다. 이때, 에틸렌과 공단량체와의 중합비는 조절이 가능하며, 본 발명에서 사용하기에 바람직한 공중합체에 있어서 무수말레익산은 0.1∼10중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 무수말레익산은 본 발명에서 PHEVA와의 반응을 일으키는데 있어서 중요한 관능기로서 상기 공중합체 내에서 0.1중량% 미만일 경우는 본 발명의 효과가 나타나기 어려우며, 10중량%를 초과할 경우는 본 발명의 조성물을 제조시에 가교반응이 일어나기 쉬어 용융성형성이 나빠지므로 성형물의 외관이 나빠지게 된다. 현재 상업적으로 이용할 수 있는 상기 공중합체로는 엘프 아토켐(Elf Atochem)사의 Lotaderⓡ 또는 일본 폴리올레핀(Japan Polyolefin)사의 Adtexⓡ를 그 예로 들 수 있다. 둘째는, 폴리올레핀에 무수말레익산과 같은 불포화산 유도체를 그라프트하여 얻어지는 중합체로서 폴리올레핀의 용융상태 또는 용액상태에서 라디칼 개시제와 불포화산 유도체를 그라프트시키는 방법으로 제조될 수 있다. 이때, 불포화산 유도체들의 그라프트된 정도는 0.1∼3 중량% 정도가 바람직하며, 이 공중합체 내에서 0.1중량% 미만일 경우는 본 발명의 효과가 나타나기 어려우며, 3중량%를 초과할 경우는 본 발명의 조성물을 제조시에 가교반응이 일어나기 쉬워 용융성형성이 나빠지므로 성형물의 외관도 나빠지게 된다.
본 발명에 따른 조성물은 제품의 제조조건에 따라 건조혼합(Dry Blending) 또는 용융혼합(Melt Blending)된 후에 압출기로 혼입되어 성형물로 제조될 수 있으며, 용융혼합의 경우는 브래벤더(Brabender) 믹서, 일축-(Single-) 또는 이축압출기(Twin-screw extruder)등의 장비를 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 조성물은 블로운(Blown), 캐스트(Cast) 압출성형 등의 가공기기를 사용하여 가공이 가능하며, 본 발명의 조성물을 A, 접착성수지를 B, 열가소성수지를 C라고 할 때, A층 단독 또는 A/B, A/B/C, B/A/B, C/B/A/B/C, C/A/C/B/C, C/B/C/A/C/B/C 등의 다양한 구조를 갖는 다층필름, 시트 또는 용기로 제조될 수 있다. 대표적인 접착성 수지로는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀수지를 말레익산과 같은 불포화산으로 그라프트(graft)시킨 수지가 사용될 수 있다. 상기 다층구조에 있어서, 대표적으로 사용하는 열가소성 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아미드 등을 그 예로서 들 수 있다.
본 발명의 조성물에는 필요에 따라서 가공조제, 염료, 산화방지제, 광안정제, 정전기방지제, 가소제와 같은 첨가제가 사용될 수도 있으며, 특히 글리세롤, p-톨루엔설폰아미드류와 같은 EVOH에 대한 가소제를 첨가할 경우 차단층의 유연성(flexibility)을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, EVOH는 극성기를 갖는 중 합체로서 폴리아미드(polyamide), 폴리에스테르(polyester) 등과 같은 극성고분자와 상용성이 우수하여 이들 고분자와 블렌드되어 사용될 수도 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만, 하기 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
모든 샘플의 산소차단성은, 1일동안 이들을 온도 23℃와 상대습도 50%의 습기 조건에서 방치한 후 가스투과율 측정기(모델명: Toyoseiki MC1, B-Type)를 이용하여 측정하였다. 산소투과도의 단위는 ㏄/㎡·일·기압이다. 흐림도(Haze)는 흐림도 측정기(Nippon Denshoku사 300A Turbidimeter)를 사용하여 측정하였으며 단위는 %이다. 필름의 유연성을 나타낼 수 있는 물성치인 인장탄성율은 인스트론 (Instron) 4301을 사용하여 ASTM D882법으로 측정하였다.
각 수지의 용융지수는 ASTM D1238법에 의하여 190℃ 또는 210℃에서 2,160g의 힘을 가하여 측정하였으며 단위는 g/10min이다. 각 수지의 밀도는 ASTM D-1505법에 의하여 측정하였으며 단위는 g/㎤이다.
본 발명의 실시예에 사용한 EVOH와 폴리올레핀의 종류를 하기 표 1에 나타내었다.
|
수지종류 |
용융점도/측정온도 |
밀도(g/㏄) |
E-1 |
에틸렌함량 44몰%인 EVOH |
13/210℃ |
1.14 |
E-2 |
에틸렌함량 32몰%인 EVOH |
12/210℃ |
1.19 |
E-3 |
에틸렌함량 32몰%인 EVOH |
3/210℃ |
1.19 |
P-1 |
에틸렌-부텐-1 공중합체 (선형저밀도폴리에틸렌) |
0.7/190℃ |
0.919 |
P-2 |
에틸렌-옥텐-1 공중합체 (선형저밀도폴리에틸렌) |
1.0/190℃ |
0.919 |
P-3 |
폴리프로필렌-에틸렌 랜덤공중합체 (에틸렌 3 몰%) |
1.8/230℃ |
0.900 |
P-4 |
에틸렌-비닐아세테이트 공중합체 (비닐아세테이트 15 중량%) |
1.5/190℃ |
0.934 |
또한, 본 발명의 실시예에 사용한 다른 성분의 종류를 하기 표 2에 나타내었다.
성분 |
수지 종류 |
용융점도 |
밀도 (g/㏄) |
190℃ |
C-1 |
에틸렌-무수말레익산-메틸아크릴레이트 랜덤 공중합체 (Japan Polyolefin사 Adtex ET182) |
10.9 |
0.937 |
C-2 |
무수말레익산이 그라프트 중합된 선형저밀도폴리에틸렌 (무수말레익산 함량 0.5중량%) |
1.5 |
0.919 |
C-3 |
무수말레익산이 그라프트 중합된 프로필렌-에틸렌 공중합체 (무수말레익산 함량 1.2중량%) |
34.0 |
0.900 |
아울러, 본 발명의 실시예에 사용한 PHEVA의 종류를 하기 표 3에 나타내었다.
상용화제 |
제조사 |
상품명 |
용융점도 (190℃) |
검화도(%) |
에틸렌 함유율 (몰%) |
*H-1 |
Takeda사 |
Dumilan |
93 |
80 |
90-95 |
H-2 |
Takeda사 |
Dumilan |
170 |
90 |
80-90 |
H-3 |
직접제조 |
- |
49 |
60 |
89 |
*H-1은 아크릴산을 도입한 변성 PHEVA이다.
제조예 1
H-3의 제조
각각의 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체의 파우더(Powder) 10㎏을 60ℓ짜리 반응기에 넣고 메탄올 30ℓ를 넣은 후, 수산화나트륨을 비닐아세테이트의 몰비만큼 첨가하였다. 반응기의 온도를 70℃로 올린 후 교반하면서 3시간 동안 반응시켰다. 상온으로 온도를 낮춘 후 메탄올을 걸러 PHEVA의 파우더를 얻었다. 이 파우더를 메탄올 30ℓ씩 2회 씻어준 후 걸러서 진공오븐내에서 50℃의 조건하에서 12시간동안 건조시켰다. 건조된 파우더를 이축 압출기 ZSK-40을 이용하여 160℃에서 압출하여 펠렛을 얻었다. 얻어진 각각의 펠렛을 60℃에서 24시간 동안 건조하여 사용하였다.
제조예 2
C-5∼C-10의 제조
하기 표 4에 기재된 중량으로 각각 건조혼합(Dry Blending)한 후, 이 혼합물을 직경 19㎜의 이축스크류(twin screw)압출기를 이용하여 130-180-210-220℃에서 용융압출함으로써 펠렛으로 제조하였다. 단, C-8의 경우는 140-150-160-170℃에서 용융압출하여 펠렛으로 제조하였다.
성분 |
수지종류 |
용융점도/측정온도 |
C-4 |
C-1/H-1=70/30 중량% |
16.7/190℃ |
C-5 |
C-1/H-1=90/10 중량% |
10.4/190℃ |
C-6 |
C-2/H-1=70/30 중량% |
1.8/190℃ |
C-7 |
C-1/H-2=70/30 중량% |
8.6/190℃ |
C-8 |
C-3/H-1=70/30 중량% |
36.0/190℃ |
C-9 |
C-1/H-3=60/40 중량% |
12.3/190℃ |
C-10 |
C-1/E-2=70/30 중량% |
2.6/190℃ |
실시예 1∼4 및 비교예 1∼3
EVOH, 폴리올레핀, 및 상용화제를 각각 총량 2kg으로 하기 표 5에 기재된 중량으로 섞은 후, 이 혼합물을 직경 19mm의 이축스크류(twin screw) 압출기를 이용하여 190-200-210-220℃에서 용융압출함으로써 펠렛으로 제조하였다. 제조된 펠렛을 60℃에서 12시간 동안 건조한 후, 차단층으로 사용하여 5층 캐스팅 필름 장비를 이용하여 폴리에틸렌/접착층/차단층/접착층/폴리에틸렌의 구조를 갖는 5층필름을 제조하였다. 이때, 폴리에틸렌은 용융지수가 2.8 (190℃, 2.16㎏)인 선형저밀도 폴리에틸렌을, 접착층으로는 용융지수가 3.5 (190℃, 2.16㎏)인 무수말레익산 변성 (그라프트) 선형저밀도 폴리에틸렌 (MAH-g-LLDPE)을 사용하였다. 각 층의 두께는 20/5/10/5/20㎛가 되도록 제조하였다. 하기 표 5에 그 결과를 나타내었다.
|
EVOH/상용화제/ 폴리올레핀 |
차단층성형성 |
두계편차* |
흐림도(%) |
산소투과율 (㏄/㎡·일·기압) |
실시예1 |
E-2/C-4/P-2 = 60/7/33 |
우수 |
0 |
11 |
2.3 |
실시예2 |
E-2/C-5/P-2 = 60/7/33 |
우수 |
0 |
13 |
2.7 |
실시예3 |
E-2/C-6/P-1 = 60/7/33 |
우수 |
0 |
10 |
2.2 |
실시예4 |
E-1/C-8/P-3 = 60/7/33 |
우수 |
0 |
11 |
9.0 |
비교예1 |
E-2/C-1/P-2 = 60/5/35 |
불량 |
X |
17 |
6.5 |
비교예2 |
E-2/C-2/P-1 = 60/7/33 |
불량 |
△ |
18 |
6.2 |
비교예3 |
E-1/C-3/P-3 = 60/5/33 |
불량 |
X |
17 |
15.7 |
* 0은 ±10% 이내, △은 ±10∼20%, X은 ±15∼20% 이상
실시예 5∼9 및 비교예 4∼11
EVOH, 폴리올레핀, 및 상용화제를 하기 표 6에 기재된 중량으로 각각 총량 50㎏으로 텀블 믹서를 사용하여 건조혼합(Dry Blending)한 후 이 혼합물을 직경40㎜의 이축스크류(twin screw) 압출기를 이용하여 190-200-210-210-210℃에서 용융 압출함으로써 펠렛으로 제조하였다. 제조된 펠렛을 60℃에서 12시간 동안 건조한 후, 각각 직경이 각각 50/50/60/50/60㎜의 압출기 5개(A/B/C/D/E)를 갖는 5중 공냉식 블로운 필름 압출기의 C-압출기에 투입하여 폭 1,200㎜의 필름을 제조하였다.
A층 및 E층 : 선형저밀도 폴리에틸렌(용융지수: 1.0, 밀도: 0.919)
B층 및 D층 : 말레익산 변성 LLDPE(MI 1.2, 밀도 0.90)
가공온도; - A,B,D,E 압출기 : 190-200-210-215℃
- C압출기 : 200-210-215-220℃
- 어뎁터(Adapter) : 225℃
- 다이(Die) : 220℃
압출량 : 200㎏/시간
필름두께는 A/B/C/D/E를 각각 20/5/10/5/30㎛로 하여 총 70㎛로 제조하였다. 제조한 필름의 물성측정결과를 하기 표 6에 나타내었다.
|
EVOH/상용화제/폴리에틸렌=중량% |
흐림도 (Haze, %) |
산소투과율 (㏄/㎡·일·기압) |
인장탄성율 (㎏/㎠) |
실시예 5 |
E-2/C-4/P-2=60/7/33 |
11 |
2.3 |
1780/1880 |
실시예 6 |
E-3/C-6/P-1=70/10/20 |
10 |
1.7 |
2550/2340 |
실시예 7 |
E-2/C-4/P-4=60/7/33 |
10 |
2.5 |
1560/1430 |
실시예 8 |
E-2/C-9/P-1=55/7/38 |
11 |
3.8 |
1860/1940 |
실시예 9 |
E-1/C-8/P-3=70/7/23 |
13 |
5.2 |
1520/1690 |
비교예 4 |
E-2/C-1/P-2=60/7/33 |
17 |
16.6 |
1930/2040 |
비교예 5 |
E-3/C-2/P-1=70/10/20 |
16 |
4.0 |
2710/2560 |
비교예 6 |
E-2/C-1/P-4=60/7/33 |
18 |
16.2 |
1830/1720 |
비교예 7 |
E-2/C-1/P-1=55/7/38 |
25 |
38.5 |
1730/1950 |
비교예 8 |
E-1/C-3/P-3=70/7/23 |
27 |
7.4 |
1750/1720 |
비교예 9* |
E-2/H-1/P-2=60/7/33 |
15 |
2.9 |
1540/1780 |
비교예 10 |
E-2/C-10/P-2=60/7/33 |
16 |
13.4 |
2010/2350 |
비교예 11 |
E-2=100 |
9 |
1.5 |
3460/3680 |
*비교예 9 : 상용성의 부족으로 펠렛제조시 박리(delamination)현상 발생함.