KR100589081B1 - 폴리에스테르 수지 발포 시트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음료 및 식품용 용기의 제조 사용될 수 있는 폴리에스테르 수지 발포 시트에 관한 것이다. 이는 700 ㎏/㎥ 이하의 밀도를 가지며, 120℃에서 5분 동안 가열되는 경우 결정도가 15% 이상의 값에 도달하지 않는 결정화율을 가진다. 발포 시트 제조에 사용되는 방향족 폴리에스테르 수지를 지방족 폴리에스테르 수지와 혼합하면 시트에 생분해성 및/또는 혼합안정성(compostability)을 부여할 수 있다.
Geottfert capillary rheometer, 크리싱(creasing), 압출(extrusion), 폴딩(folding), ASTM

Description

폴리에스테르 수지 발포 시트 {POLYESTER RESIN FOAMED SHEETS}
본 발명은 폴딩(folding)에 의하여 형태가 만들어지는 용기를 프레싱하여(pressing) 찍어낼 수 있는 디자인의 음료 또는 식품 용기의 제조에 적당한 가열-밀봉성 폴리에스테르 수지 발포 시트(foamed sheet)에 관한 것이다.
본 발명은 이러한 시트로 이루어지는 용기를 포함하며, 이는 과일 쥬스, 보통의 저장 수명을 가지는 우유, 차(茶) 등과 같은 음료용 용기의 제조에 적당한 기체 차단 특성을 가지는 특정한 시트이다.
지금까지 과일 쥬스, 우유 등의 용기와 같은 음료 및 식품용 용기의 제조에 사용되어 온 재료는 해당 용기에 기계적 특성, 특히 강성(剛性)을 부여하는 기능성의 카드보드(cardboard) 층을 포함하며, 경우에 따라서는 음료 또는 식품과 접촉하는 면에 폴리에틸렌 필름 또는 그와 유사한 폴리머 재료가 코팅된 알루미늄 박판(薄板) 층이 접착된 카드보드를 포함하기도 한다.
이러한 다층 재료로 제조된 용기는 다양한 층의 각기 다른 화학적 특성 때문에 재생되기 어렵다.
식품 또는 음료 용기를 형성하는 재료의 재생가능성은 재생으로 얻어질 수 있는 절약의 측면 및 생태학적 관점에서 가장 중요한 요건이다.
재생가능한 재료를 실현하는 것이 당 기술 분야에서 매우 중요한 문제이다.
폴리머 재료로 제조되는 음료 및 액체용 용기가 있기는 하나 카드보드로 제조된 것에 견줄 만한 강성을 제공하지 못하고 있다. 때문에 이들은 강성이 큰 용기의 제조에는 적합하지 못하다. 이러한 재료로 제조되는 용기는 소형 쌕(파우치:pouches) 종류에 포함된다.
폴리머 재료를 사용하여 필요한 강성을 가지는 용기를 제조하려는 시도가 이루어지고 있으나 현재까지는 성공하지 못하였다.
용기의 강성은 벽의 두께와 관계 있고, 보다 정확히 말하면 벽두께의 세제곱에 비례하여 변한다.
충분한 강성을 가지는 용기를 제조하기 위하여 폴리올레핀과 같은 폴리머 재료를 사용하기도 하나, 이는 비경제적일 뿐 아니라 용기를 밀폐하는 단계에서 봉착하게 되는 폴딩 및 밀봉에 어려운 두께가 수반되기 때문에 가공이 불가능하다.
발포 폴리스티렌과 같은 다른 재료는 박층으로 만들어지는 경우 취약성(fragility) 때문에 사용 불가능하다.
미국특허 제5,000,991호에는 발포 폴리에스테르 재료의 시트 및 시트와 동일한 물성을 가지는 필름 또는 다른 폴리머 재료로 형성된 식료품용 열성형(thermoformed) 용기의 제조에 사용되는 강성 적층물(laminates)이 개시되어 있다. EB-A-836937에는 두께가 0.5mm 내지 1.5mm인 반강성(semi-rigid) 적층물로서, 폴리에스테르 발포층의 재료과는 다른 폴리머 재료로 만들어진 기체 차단 특성을 가지는 층이 접착되어 있으며 밀도가 0.7 내지 1 g/㎤인 폴리에스테르 수지 발포층을 포함하는 적층물이 개시되어 있다.
상기 적층물들은 패킹용 제품의 열성형 제조에 사용된다.
재료에 프레싱되는 디자인에 따라 폴딩에 의하여 용기의 형태가 형성되도록 하기 위하여 크리싱될(creasing) 수 있는 폴리에스테르 발포층을 포함하는 재료가 개시되어 있는 특허문헌은 없다.
폴딩에 의하여 용기의 형태가 형성되는 디자인으로 크리싱되는 단층 또는 다층의 폴리머 발포 재료의 능력, 및 이러한 디자인에 따른 재료의 폴딩 능력은 크리싱 및 폴딩 기법을 사용하는 경우에 음료 및 식품 용기의 제조에 요구되는 필수 조건이다.
프레싱된 디자인이 시간이 지나도 안정하게 유지되고 이 디자인이 스탬핑(stamping)되는 경우 재료의 폴딩 능력을 떨어뜨릴 수 있는 파손이 발생하지 않는 재료가 크리싱에 적합한 재료가다.
또한 용기를 봉합하기 위해서 가열-밀봉이 가능한 재료가라야 한다.
본 발명에서는 음료 및 식품 용기의 제조에 적합한 재료로서 상기에서 언급된 크리싱 요구조건을 만족시키며 카드보드를 대체하기에 충분한 강성을 가지는 폴리에스테르 수지 발포 폴리머 재료를 발견하였다.
본 발명의 발포 재료는 폴리에스테르 수지에서 얻어진 비결정질(5% 이하의 결정도를 가지는) 발포 시트를 포함하며 이는 120℃에서 5분 동안 가열될 경우 결정도가 15% 이상, 바람직하게는 10% 이상의 값에 도달하지 않는 결정화율을 갖는다.
발포 시트 제조에 사용되는 바람직한 폴에스테르 수지는 몰당 2 내지 20%의 테레프탈산이 아이소프탈산 및/또는 나프탈렌-디카르복시산 유도체로 치환된 코폴리에틸렌 테레프탈레이트이다.
바람직한 코폴리에틸렌 테레프탈레이트는 4 내지 10%의 아이소프탈레이트 유도체를 포함하는 것이다.
발포 시트의 기체 차단 특성을 개선하기 위하여 이를 폴리에스테르 수지 필름 또는 기체 차단 특성이 있는 그 밖의 다른 재료로 코팅할 수 있다.
시트를 폴리에스테르 필름으로 코팅하는 경우, 필름에 차단 특성을 부여하는 표면가공을 수행하거나 알루미늄 및 알루미늄과 실리콘의 옥사이드(Al2O3 및 SiOx)와 같이 차단 특성을 가지는 재료를 도포하여 필름에 차단 특성을 부여할 수 있다.
대표적인 표면가공 방법은 리튬 또는 칼륨 폴리실리케이트 층으로 상기 필름을 래커처리(lacquering)하는 것이다. 이러한 가공으로 0.3 ㎖/㎡/24h/atm 이하의 매우 낮은 산소 투과율이 실현된다.
알루미늄 및 Al 및/또는 Si 옥사이드 층은 공지된 방법에 따라 도포한다.
표면가공 및 차단 재료의 침적은 폴리에스테르 필름에 일반적으로 70 ㎖/㎡/24h/atm(ASTM 1434) 이하의 산소 투과율을 부여하는 방법을 선택하여 수행한다. 필름이 Al로 금속화(metallize)되거나 Al 및/또는 Si 옥사이드로 코팅되는 경우에는 산소 투과율이 0.3 ㎖/㎡/24h/atm 이하의 값으로 감소할 수 있다. 10 ㎖/㎡/24h/atm 이하의 값이 바람직하다. 알루미늄으로 금속화된 폴리에스테르 필름은 Nurol S,p.A, 제품인 Nu Roll(Nu roll은 Nurol S,p.A,의 등록상표임)이라는 제품명으로 시중에서 판매되고 있다.
시트에 차단 특성을 가지는 필름이 접착되는 경우, 이 필름의 가공되지 않은 면은 용기 내부의 음료 또는 식품과 접촉하게 된다.
또한, 예를 들면 잉크 등으로 인쇄하는 것과 같은 다양한 요구조건과 관련하여 이러한 요구조건에 대응하는 필름을 내부층으로 하고 필름이 접착된 발포 시트를 가지는 외부층으로 하여 사용할 수도 있다.
차단 특성을 가지는 필름 또는 그 밖의 필름을 발포 시트에 접착하는 공정은 아교 처리(gluing) 또는 가열-적층 또는 공압출(coextrusion)에 의한 공지된 방법에 따라 실행될 수 있다.
본 발명의 발포 시트는 0.2 내지 3 mm, 보다 바람직하게는 0.2 내지 1.5 mm의 두께를 가지며, 밀도는 700 kg/m3 이하, 바람직하게는 10 내지 500 kg/m3, 보다 바람직하게는 100 내지 200 kg/m3이다.
또한, 발포 폴리에스테르 시트는 폴리에스테르 수지와는 다른 가열-밀봉성 폴리머 층으로 도포될 수 있다.
발포 시트는 공지된 압출-팽창(extrusion-expantion) 방법에 따라 제조된다.
미국특허 제5,362,763호에는 이에 대한 바람직한 방법이 기술되어 있으며, 이는 본명세서에 참고로 인용된다.
미국특허 제5.362,763호에는 다른 방법이 기술되어 있으며, 이 또한 본 명세서에 참고로 인용되어 있다.
시트의 강성은 그 두께와 상관 있다. 두께가 증가하면 강성도 증가한다(비례하지는 않음). 무기물 충전재를 사용하면(약 20 중량% 이하 사용가능) 시트의 강성을 증가시킬 수 있다. 충전재의 예로는 실리카, 알루미나, 이산화티타늄, 탄산칼슘 등이 있다.
용기는 용기 형태를 고정하는 크리싱에 의하여 시트에 프레싱된 디자인을 폴딩하는 공지된 방법에 따라 제조된다.
용기는 그들의 용도에 따라 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있다. 큐빅형, 타원형 또는 피라미드형이 사용될 수 있다. 음료 및 과일 쥬스용 용기의 일반적인 부피는 0.2 내지 2 리터이다.
발포 시트 제조에 사용되는 폴리에스테르는 방향족 디카르복시산, 바람직하게는 테레프탈산을 에틸렌 글리콜, 1,4-부탄-디올, 및 1,4-디메틸롤-사이클로헥산과 같은 탄소수 2 내지 12의 디올과 중축합(polycodensation) 하여 얻을 수 있으며, 바람직하게는 몰당 2 내지 20%의 테레프탈산이 아이소프탈산 및/또는 나프탈렌-디카르복시산으로 치환된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 코폴리머에서 선택되는 것이다.
발포 시트에 생분해성 및/또는 혼화성(compostability)을 부여하기 위하여, 시트 제조에 사용되는 폴리에스테르 수지를 10 내지 35 중량%의 생분해성 지방족 폴리에스테르 수지와 혼합하고 그 혼합물을 테트라카르복시산 무수물, 바람직하게는 방향족이 존재하는 고체 상태에서 다중첨가(polyaddition) 반응시킨다.
무수물로는 피로멜릭(pyromellic) 무수물이 바람직하며, 이는 전체 수지 함량의 0.05 내지 2 중량%를 사용한다.
고체 상태에서의 다중첨가 반응은 약 150 내지 220℃의 온도에서 0.7 dl/g 이상의 수지 고유 점도(점도는 페놀 및 테트라클로로에탄이 60/40의 중량비율로 섞인 혼합물 내에서 측정된) 및 수지가 형성될 수 있을 만큼 충분히 높은 용융 강도를 얻기에 충분한 농도의 무수물을 사용하여 수행된다.
일반적인 고유 점도는 0.8 내지 1.2 dl/g 이다.
적당한 용융 강도는 8 센티뉴톤(centinewton) 이상이며, 20 센티뉴톤 이상이 바람직하다.
용융 강도는 본 명세서에 참고로 인용된 미국특허 제5,442,381호에 개시된 방법에 따라 지오트퍼트 모세관 유량계(Geottfert capillary rheometer)를 사용하여 측정한다.
지방족 폴리에스테르 수지는 2 내지 22개의 탄소원자를 가지는 히드록시산 또는 이들의 락톤 또는 락티드(lactide)를 중축합하거나 2 내지 22개의 탄소원자를 가지는 지방복 디카르복시산을 2 내지 22개의 탄소원자를 가지는 지방족 또는 방향족 디올과 중축합하여 얻는다. 바람직한 폴리에스테르는 폴리캐프롤락톤이다. 상기 폴리에스테르는 생분해 특성을 가진다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위하여 기재한 것이며, 따라서 이들로 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
보빈(bobbin)에 감겨 있던 발포 COPET(4 중량%의 아이소프탈산을 함유하는 코폴리에틸렌 테레프탈레이트) 시트－여기서 시트는 두께가 0.7 mm이고 밀도가 180 kg/m3 이며, 120℃에서 가열되는 경우 결정도가 15% 이상의 값에 도달하지 않는 결정화율을 가짐－를 평행 육면체 형태의 용기를 폴딩하여 형성된 디자인으로 크리싱한다.
이렇게 크리싱된 시트는 보통의 저장-수명을 가지는 우유 및 과일 쥬스용 용기의 제조에 사용된다.
이 용기는 가열-밀봉으로 봉합된다. 봉합은 기밀(氣密) 밀봉되며 찢기, 자르기 또는 그 밖의 다른 방법으로 쉽게 개봉될 수 있다.
실시예 2
실시예 1에 기재된 특성을 가지는 PET 발포 시트를 용기의 재생성을 겸하는 아교를 사용하여 두께가 15 미크론인 Nurol S.p.A의 Nu Roll 금속화 필름에 접착한다.
이 시트는 액체용 용기를 제조하는데 사용된다.
실시예 3
4%의 아이소프탈산을 함유하는 코폴리에틸렌 테레프탈레이트를 10 중량%의 폴리캐프롤락톤 UC PCL 787(Union Carbide 제품)과 혼합한 후, 180℃, 고체 상태에서 다중첨가 반응시켜(0.85 dl/g의 고유 점도가 얻어질 때 까지) 얻어진 발포 시트－여기서 시트는 두께가 0.7 mm이고 밀도가 180 kg/m3 이며, 120℃에서 가열되는 경우 결정도가 15% 이상의 값에 도달하지 않는 결정화율을 가짐－를 평행 육면체 형태의 용기를 크리싱하여 얻어진 디자인에 따라 압출한다.
이렇게 크리싱된 시트는 보통의 저장-수명을 가지는 우유 및 과일 쥬스용 용기의 제조에 사용된다.
이 용기는 가열-밀봉으로 봉합된다. 봉합은 기밀 상태를 유지하며 찢기, 자르지 또는 그 밖의 다른 방법으로 쉽게 개봉될 수 있다. 용기는 혼합 공정에 사용되는 표준 조작 조건에서 혼합된다.
실시예 4
실시예 3의 특성을 가지는 발포 PET 시트를 용기의 재생성을 겸하는 아교를 사용하여 두께가 15 미크론인 Nu Roll 금속화 필름(Nurol S.p.A 제품)에 접착시킨다.
이 시트는 액체용 용기를 제조하는데 사용된다.
본 발명은 음료 및 식품 용기의 제조에 적합한 재료로서, 충분한 강성 및 기체 차단 특성을 가지며 용도에 따른 형태로 가공 가능한 폴리에테르 수지 발포 시트를 제공한다.

Claims (17)

  1. 700 kg/m3 이하의 밀도, 0.2 내지 3mm의 두께, 및 120℃에서 5분간 가열 시, 결정도(crystallinity)가 15% 이상의 값에 도달하지 않는 결정화율(crystallization rate)을 가지며, 폴딩에 의하여 용기의 형태가 형성되는 디자인으로 크리싱되는 비결정질 발포 시트(amorphous foamed sheet)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음료 및 식품 용기의 제조에 적합한 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시트가 아이소프탈산 및/또는 나프탈렌-디카르복시산으로부터 유도된 단위체(unit)를 2 내지 20 mol% 함유하는 코폴리에틸렌 테레프탈레이트로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시트의 결정화율이, 120℃에서 5분간 가열 시 결정도가 10% 이하인 것을 특징으로 하는 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시트는 기체차단 특성을 가지는 필름에 접착되며, 상기 기체차단 특성을 가지는 필름은 폴리에스테르 필름으로부터 선택되며, 상기 폴리에스테르 필름은 ASTM 1434에 따라 측정 시, 693 ㎖/m2/24h/MPa (70 ㎖/m2/24h/atm) 이하의 산소 투과율을 가지는 것을 특징으로 하는 재료.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 폴리에스테르 필름이 알루미늄으로 금속화(metallize)되거나, 알루미늄 또는 실리콘 옥사이드의 층, 또는 칼륨 또는 리튬 폴리실리케이트로 코팅되는 것을 특징으로 하는 재료.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 폴리에스테르 필름이 아교(glue)의 사용 또는 열 적층에 의하여 상기 발포 시트에 접착되는 것을 특징으로 하는 재료.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발포 시트가 10 내지 500 kg/m3의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 재료.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발포 시트가 100 내지 200 kg/m3의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 재료.
  10. 삭제
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 재료가 0.2 내지 1.5 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 재료.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시트가 무기 충전재(inorganic filler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발포 시트가 10 내지 30 중량%의 지방족 폴리에스테르 수지와 혼합된 방향족 폴리에스테르 수지로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 재료.
  14. 제1항 또는 제2항의 재료로부터 제조되는 음료 또는 식품 용기.
  15. 제14항에 있어서,
    가열-밀봉(heat-sealng)에 의하여 밀폐되는 것을 특징으로 하는 용기.
  16. 제1항 또는 제2항의 재료를 이용해 제조되고, 발포 시트가 693㎖/m2/24h/MPa (70 ㎖/m2/24h/atm) 이하의 투과율 값에 해당하는 산소 차단 특성을 가지는 폴리에스테르 필름에 접착되는 것을 특징으로 하는 과일 쥬스 또는 멸균 우유용 용기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 시트에 접착된 상기 폴리에스테르 필름이 99㎖/m2/24h/MPa (10㎖/m2/24h/atm)이하의 산소 투과율을 제공하는 용기.
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