KR100597540B1

KR100597540B1 - 생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성코팅제 및 이의 코팅방법

Info

Publication number: KR100597540B1
Application number: KR1020030041254A
Authority: KR
Inventors: 진정석; 최경주; 이준재
Original assignee: 주식회사 폴리테크
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2006-07-06
Also published as: KR20050000749A

Abstract

본 발명은 생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제 및 이의 코팅방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 지방족 폴리에스테르, 열가소성 전분 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 생분해성 수지를 100∼170℃에서 유화제 및 분산안정제를 함유하는 수용액 상 내에서 유화, 분산시킨 다음 냉각시켜 제조되고, 상기 생분해성 수지의 융점이 80∼120℃인 생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제 및 이의 코팅방법에 관한 것이다. 상기 수분산성 코팅제는 종이나 펄프로 만든 식품용 용기인 성형물의 표면에 스프레이하여 적당한 온도에서 건조시키면 생분해성이 우수하고 표면 특성이 우수한 물성을 얻을 수 있는 장점을 갖는다.

생분해성 수지, 지방족 폴리에스테르, 열가소성 전분, 유화제, 분산안정제

Description

생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제 및 이의 코팅방법{Water dispersion coating for molded article of food bowl using biodegradable resin and coating method thereof}

본 발명은 생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제 및 이의 코팅방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 환경보호를 위해 개발된 일회용 식품용기인 종이 또는 펄프 성형물(이하 "성형물"이라 한다)에 표면 균일성, 내수성 및 내유성 등을 부여하면서 우수한 생분해성을 나타내어 환경 친화적인 생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제 및 이의 코팅방법에 관한 것이다.

최근 환경보호 의식이 고양됨에 따라 일반 플라스틱 재료(스티로폼 등)를 사용하는 일회용 도시락, 컵 라면 용기, 기타 성형물 등의 사용이 규제되고, 생분해가 쉬운 종이(펄프), 전분, 톱밥, 나무편 등의 성형물로 적용하고자 하는 노력이 진행되고 있으며, 일부가 이미 개발되어 사용되고 있다. 그러나, 상기 성형물의 내수(耐水) 및 내유(耐油) 등의 문제로 생분해가 되지 않는 아크릴계통의 코팅제를 사용하는 예가 일반화되어 있다.

한편, 특허출원이나 학술보고에 따르면, 생분해성 수지인 폴리카프로락톤, 폴리히드록시알카노에이트, 전분유도체, 폴리에스테르 등의 에멀젼을 범용 코팅제로 사용하는 예가 보고된바 있으나, 식품용기 성형물의 표면 균일성, 내수성 및 내유성 등을 부여할 목적으로 개발된 코팅제는 없는 실정이다.

이러한 생분해 가능한 성형용기의 사용이 급증하는 시점에서, 환경친화적이지 않은 생분해가 되지 않는 코팅제의 사용은 환경보호에 커다란 문제로 대두되고 있다. 따라서, 생분해 성형용기를 위한 생분해성 코팅제의 개발이 시급한 실정이다.

이에 본 발명에서는 여러 종류의 생분해성 수지 중에서 지방족 폴리에스테르(Aliphatic Polyester) 및/또는 열가소성 전분(Thermoplastic Starch)을 이용하여 식품용기용 성형물의 코팅에 적합한 수분산성 코팅제를 제조할 수 있었고, 이를 식품용 성형용기에 스프레이 코팅 후, 적정 온도에서 건조시킨 결과, 종래 기술에서 문제시되어 왔던 생분해성 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 생분해성 수지를 이용하여 생분해성 성형용기 코팅에 적합할 뿐만 아니라 코팅 후 표면 균일성, 내수성 및 내유성 등이 우수한 수분산성 코팅제를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 코팅제를 성형용기에 스프레이시키고, 건조시키는 코팅방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코팅제는 지방족 폴리에스테르, 열가소성 전분 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 생분해성 수지를 100∼170℃에서 유화제 및 분산안정제를 함유하는 수용액 상 내에서 유화, 분산시켜 제조되고, 상기 생분해성 수지의 융점이 80∼120℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 상기 코팅제의 코팅방법은 상기 코팅제를 점도가 10∼300cps 및 고형분 함량이 20∼40%로 물로 희석시킨 다음, 상기 희석액을 식품용기용 성형물에 고루 스프레이하여, 130∼180℃의 건조로에서 2∼5분 건조시켜, 표면코팅의 두께가 0.1∼0.8mm을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서는 주원료인 생분해성 수지에는 여러 가지 종류가 있으나, 현재 개발이 완료되어 상용화되어 있으며, 생분해성이 우수하고 상대적으로 가격이 저렴한 지방족 폴리에스테르(Aliphatic Polyester) 및/또는 열가소성 전분(Thermoplastic Starch)를 이용하고, 상기 수지를 유화제, 분산안정제 및 점도조절제, 및 선택적으로 기타 첨가제와 함께 직접 물에 투여하여 유화시킨 다음, 냉각 분산시키는 방법으로 식품용 성형용기 코팅에 적합한 수분산성 코팅제를 개발하였다. 본 발명에 따르면, 상기 생분해성 수지는 분산액 내에 약 80∼120℃의 융점을 갖는 수지가 분산된 상태로 존재하며, 상기 유화 분산반응은 일정한 분산, 유화기를 갖춘 고압장치에 의하여 수행된다.

본 발명에 있어서, 생분해성 수지, 유화제, 분산안정제 및 점도조절제, 및 물(분산매로서 바람직하게는 탈이온수)이 필수적으로 사용되는데, 바람직하게는 생분해성 수지 100중량부에 대하여 유화제 0.1∼10중량부 및 분산안정제 및 점도조절제 0.05∼5중량부가 사용되며, 물은 바람직하게는 강화 코팅제 내의 고형분 함량이 약 20∼50%가 되도록 하고, 점도는 약 500∼3,000 cps 정도로 그 사용량이 조절된다.

상기 중합반응에 사용되는 생분해성 수지는 지방족 폴리에스테르, 열가소성 전분 및 이들의 혼합물로부터 선택되며, 코팅제의 용도에 따라 수지의 융점을 선택 사용한다. 본 발명에 사용가능한 대표적인 지방족 폴리에스테르(Aliphatic Polyester)의 분자구조를 하기 화학식 1에 나타내었다.

여기서, a는 4이고, b는 2 내지 4이며, n은 150∼250(Aver. 200)이며, 평균 분자량은 약 50,000정도이다.

본 발명에 있어서, 유화를 위하여 첨가되는 유화제로는 당업계에서 통상적으로 알려져 있는 음이온성 및 비이온성 유화제가 사용될 수 있다. 음이온성 유화제로는 비누(soap), LAS(리니어알킬벤젠설폰산염), SLS(라우릴설페이트염), SLES(라우릴에테르설페이트염) 등이 있고, 비이온성 유화제로는 NP(노닐페놀)의 EO(에틸렌옥사이드) 부가물, 라우릴알코올의 EO 부가물, 지방산 솔비탄 에스테르의 EO 부가물 등이 있다. 상기 유화제는 혼합물의 특성에 따라 단일물 또는 혼합물 형태로 사용될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 상기 유화제는 생분해성 수지 100중량부를 기준으로 0.1∼10중량부의 범위로 사용되는데, 0.1중량부 미만인 경우에는 유화, 분산이 어렵고 덩어리의 발생 및 냉각 후 분산의 안정성 등에 문제점이 있고, 10중량부를 초과하는 경우에는 제조공정에서 기포 발생이 많아 사용시 문제점이 있다.

상기 분산안정제는 폴리비닐알콜(PVA)와 카복시 메틸 셀룰로즈 소다염(CMC), 메틸 셀룰로즈 등의 셀루로즈 유도체, 식물성 및 동물성 유도체인 알긴산염, 카제인 등이 있으며, 고분자로는 폴리 아크릴산 유도체가 있다. 상기 분산안정제는 점도조절제로도 사용되며, 수지의 종류와 량에 따라 단일물 또는 혼합물의 형태로 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 분산안정제 및 점도조절제는 생분해성 수지 100 중량부를 기준하여 0.05∼5중량부 범위로 사용되는데, 5 중량부를 초과하면 점도의 급상승으로 취급성과 사용상에 문제가 많다.

상기 언급된 성분이외에, 선택적 첨가제로서, 탄산염과 같은 전해질, 중조, 가성소다, 암모니아수 등과 같은 중화제와 내유제, 방부제, 기타 보충제 등으로 0∼10중량부를 특성에 따라 적절한 양으로 사용할 수 있는데, 예를 들면 전해질은 생분해성 수지 100 중량부에 대하여 약 1 중량부까지, 내유제는 생분해성 수지 100 중량부에 대하여 2중량부까지 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 식품용기인 종이(펄프) 성형물의 표면 물성을 효과적으로 향상시키기 위하여는 수분산 코팅제 내의 분산되어 있는 생분해성 수지가 80∼120 ℃의 융점온도 범위를 갖는 것이 특히 요구된다. 그 이유는 80℃ 미만에서는 코팅된 용기에 고온의 내용물을 담을 때 수지의 일부가 불안정하게 되고, 120℃를 초과하면 상안정이 불안해지고, 유화, 분산시킬 때, 또 건조시에 에너지의 소비가 많다. 따라서, 상기 융점 온도 범위를 갖도록 수지 선택에 유의하는 것이 중요하다.

본 발명에 따르면, 전술한 유화, 분산반응은 유화기(호모게나이저)가 부착된 가압식 회분식 공정(autoclave with homogenizer, batch process)이 이용되며, 바람직하게는 수지 융점 보다 약 10∼50℃ 더 높은 온도로 유화의 반응온도를 설정하는 것이 좋다. 일반적으로 생분해성 수지의 융점이 110℃일 때의 유화온도를 150℃로 하고, 불활성 분위기(예를 들면, 질소 가스 분위기) 하에서, 가압 하에서 연속으로 유화기(호모게나이저)를 이용하여 반응이 수행되고, 일정 시간이 경과 후, 냉각하여 첨가제 등을 투입 교반 후 제품화하나, 일반적으로 다음과 같은 방식에 의하여 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초기에는 생분해성 수지 전부, 유화제 전부, 물 일부 및 분산안정제 일부를 반응기에 투입하고 질소로 충분히 불어낸 다음, 계속 교반하면서 온도를 150℃ 까지 올린다. 이 온도에서 약 1∼2시간에 걸쳐 연속적으로 교반하면서 유화시키는 방식이다. 이때 유화 상태를 관찰하면서 균일한 상태가 되면 냉각을 시작하여 70∼80℃가 되면, 점도조절제와 첨가제를 넣어 상온으로 냉각한다. 냉각 후 필요에 따라 다른 첨가제를 넣을 수도 있다.

전술한 중합반응의 종료 결과, 수분산 코팅제의 수지는 약 80∼120℃의 융점을 갖는다. 수분산 코팅제는 약 20∼50%의 고형분 함량을 갖도록 하는 것이 바람 직한데, 이는 제조의 용이성, 보관 유통상의 문제, 다른 보충제와의 혼합 등을 고려한 결과이다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 제조된 생분해성 코팅제는 용기의 형태에 따라 물로 희석시켜 점도가 10∼300cps 및 고형분 농도가 20∼40%로 하여 스프레이 코팅하기에 적합한 조건을 이룬다. 그 다음, 식품용기인 종이 성형물의 코팅과정에서 일정한 양으로 스프레이되고, 약 130∼180℃의 건조로에서 2∼5분을 건조시켜 제품화한다. 이때 건조된 코팅제의 두께는 0.1∼0.8mm로 코팅되며, 0.1mm 미만이면 표면상태가 불안정하고, 0.8mm를 초과하여 코팅되면, 표면 또한 균일하지 못한 문제점과 제조원가의 상승의 원인이 된다. 이때, 코팅제는 종이(펄프) 성형물 내에 균일하게 분산 흡착하여, 건조로에서 접착시킴으로서 성형물의 표면을 균일하고 매끄럽게 향상시키는 기능을 하며, 이에 따라 내수, 내유성도 좋아지게 된다. 상기 코팅제는 라면 컵, 종이도시락 등과 같은 다양한 용도와 다양한 종류의 식품용기용 성형물에 쉽게 적용될 수 있다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

수분산 생분해성 식품용기용 코팅제의 제조

유화기(호모게나이저)가 부착된 고압반응기 내로 탈이온수 190 중량부, 융점이 110℃인 지방족 폴리에스테르 100 중량부, 유화제 SLS 30% 용액 3 중량부, 유화 제로 NP EO부가물 1 중량부, 유화제로 솔비탄 에스테르의 EO부가물 1중량부, 분산안정제로 PVA 0.3 중량부, 및 카제인 0.3부를 넣고 교반하면서 질소로 충분히 불어놓은 뒤, 반응기 내부를 170℃까지 승온시켰다. 약 1.5시간 정도 유화기로 유화한 뒤 상의 균일상태를 관찰하여 냉각하기 시작했다. 계속 교반하면서 온도가 약 70℃가 되면, 점도조절제로 PVA 10% 용액을 0.5 중량부를 넣고, 다시 상온으로 냉각하여 내유제((주)폴리테크사의 KPT1) 0.5 중량부를 첨가하고 중화제(중조) 1%용액으로 pH를 6.7로 조절하고 제품화했다. 상기 분산액 내의 고형분의 함량은 34.81%이었으며, 측정된 점도는 1,850cps 이고, 상 안정성은 양호했다.

상기 코팅제를 식품용기인 종이 성형물의 형태에 따라 스프레이하기 쉬운 점도인 10∼300cps로 이온수를 첨가 조절한다. 상기 코팅제에 이온수를 100중량부를 첨가하였고, 이때 점도는 102cps이고, 농도는 25.8%이다. 이 희석분산액을 식품용기에 스프레이하고, 건조로에서 약 160℃에서 3분간 건조하면 두께가 0.64mm의 필름이 형성되면서 안정된 코팅이 완료된다.

실시예 2

수분산 생분해성 식품용기용 코팅제의 제조

유화기(호모게나이저)가 부착된 고압반응기 내로 탈이온수 250 중량부, 융점이 95℃인 열가소성 전분 100 중량부, 유화제로 LAS 30% 용액 2 중량부, 유화제로 LA EO부가물 0.5 중량부, 유화제로 솔비탄 에스테르의 EO부가물 2중량부, 분산안정제로 PVA 0.5 중량부를 넣고 교반하면서 질소로 충분히 불어놓은 다음, 반응기 내부를 150℃까지 승온시켰다. 약 2시간 정도 유화기로 유화한 뒤 계속 유화하면서 상의 균일상태를 관찰하여 냉각하기 시작했다. 계속 교반하면서 온도가 약 65℃가 되면, 점도조절제로 CMC 10% 용액을 0.2 중량부를 넣고, 다시 상온으로 냉각하여 중화제(중조) 1%용액으로 pH를 6.1로 조절하고 제품화했다. 상기 분산액 내의 고형분의 함량은 29.02%이었으며, 측정된 점도는 1,150cps 이고, 상 안정성은 양호했다.

상기 코팅제를 식품용기인 종이 성형물의 형태에 따라 스프레이하기 쉬운 점도인 10∼300cps로 이온수를 첨가 조절한다. 상기 코팅제에 이온수를 60 중량부를 첨가한다. 이때 점도는 75cps이고, 농도는 24.8%이다. 이 희석 분산액을 식품용기에 스프레이하고, 건조로에서 약 160℃에서 2분간 건조하면 두께가 0.45mm의 필름이 형성되면서 안정된 코팅이 완료된다.

이렇게 본 발명에 따라 코팅된 식품용기와 기존의 아크릴계 수지로 코팅된 식품용기(대조구)의 표면 균일성, 내수성 및 내유성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.

	실시예 1	실시예 2	대조구
표면 균일성	양호	양호	양호
내수성	양호	양호	양호
내유성	NO. 5이상	NO. 5 이상	NO. 5이상

*1. 표면 균일성은 기존 제품 대비 육안판별 방법으로 측정하였고,

*2. 내수성은 95℃의 물을 담아 1시간 방치 하여 흡습정도를 육안 측정한다.

*3. 내유성은 내유도 시약으로 측정하였고, 상기 시약에 대한 내유도는 하기 표 2와 같다.

내유도	피마자유	톨루엔	N-헵탄	내유도	피마자유	톨루엔	N-헵탄
1	100	0	0	9	20	40	40
2	90	5	5	10	10	45	45
3	80	10	10	11	0	50	50
4	70	15	15	12	0	45	55
5	60	20	20	13	0	35	65
6	50	25	25	14	0	25	75
7	40	30	30	15	0	15	85
8	30	35	35	16	0	0	100

본 발명에 따른 수분산성 코팅제를 식품용기인 종이(펄프)의 성형물에 코팅할 경우, 종래의 기술에서 문제시되어 왔던 생분해성의 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 장점이 있어 환경보호에 큰 효과를 가지며, 분산매로 물을 사용하여 기존의 용제나 가소제를 사용하는 수분산 코팅제에 비해 환경오염과 화재의 위험으로부터 안전 및 인체 건강에 도움을 주는 장점도 있다.

Claims

지방족 폴리에스테르, 열가소성 전분 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 융점이 80∼120℃인 생분해성 수지를, 상기 생분해성 수지 100 중량부에 대하여 유화제 0.1~10 중량부, 및 분산안정제 0.05~5 중량부를 함유하고 있는 수용액에 100∼170℃에서 유화, 분산시킨 다음 냉각시켜 제조된 것을 특징으로 하는 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유화제는 비누, LAS(리니어알킬벤젠설폰산염), SLS(라우릴설페이트염), SLES(라우릴에테르설페이트염), NP(노닐페놀)의 EO(에틸렌옥사이드) 부가물, 라우릴알코올의 EO(에틸렌옥사이드) 부가물 및 지방산 소르비탄 에스테르의 EO부가물로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅제.
제1항에 있어서, 상기 분산안정제는 PVA, CMC, 메틸 셀룰로즈, 알긴산염, 카제인, 및 폴리 아크릴산 유도체로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 코팅제.
제1항에 있어서, 상기 냉각된 코팅제에 전해질, 중화제, 내유제, 방부제 및 기타보충제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택된 첨가제를 더욱 첨가시킨 것을 특징으로 하는 코팅제.
제1항에 있어서, 상기 코팅제 내의 고형분 함량이 20∼50%인 것을 특징으로 하는 코팅제.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 코팅제를 점도가 10∼300cps 및 고형분 함량이 20∼40%가 되도록 물로 희석하고, 상기 희석액을 식품용기용 성형물에 고루 스프레이한 다음, 130∼180℃의 건조로에서 2∼5분 건조시켜 표면코팅의 두께가 0.1∼0.8mm을 갖는 것을 특징으로 하는 생분해성 수지를 이용한 식품용기 성형물용 수분산성 코팅제의 코팅방법.
제7항에 있어서, 상기 식품용기가 종이 또는 펄프로 만든 식품용기인 것을 특징으로 하는 코팅방법.