KR100671982B1 - 식품용기용 항균 코팅 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 식품용기용 항균 코팅 조성물에 관한 것으로, 스티렌 및 에틸렌 불포화기를 함유하는 카르복시산 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 2종 이상이 선택되는 모노머 혼합물을 유화제 및 중합개시제를 함유하는 수용액 상 내에서 60 내지 85℃의 온도로 유화중합시킨 후, 1 내지 1000ppm의 은 나노용액을 첨가하여 제조되며, 상기 유화중합반응결과 얻어지는 공중합체가 30∼80℃의 유리전이온도를 갖는 식품용기용 항균 코팅 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 1회용 식품용기류, 도시락 등의 식품용기에 항균작용과 탈취효과가 뛰어난 고가의 은을 나노실버 형태로 포함하는 코팅 조성물을 표면에 도포함으로써 비용을 절감하여, 유해성이 있는 균의 번식을 방지하여 식품 보관시 균의 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
나노실버, 식품, 코팅제, 바인더 , 항균작용, 콜로이드, 도시락
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식품용기용 항균 코팅 조성물의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
본 발명은 식품용기용 항균 코팅 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 항균작용을 갖는 고가의 은을 비용 효율적으로 식품용기등에 적용시킬 수 있는 나노크기의 은 입자(이하, 나노실버라 함)를 포함하는 식품용기용 항균 코팅 조성물에 관한 것이다.
생활수준이 향상되면서 환경과 건강에 대한 관심이 높아지고 있는 반면, 생활주변은 각종 화학물질의 범람으로 인하여 나날이 오염되어 가고 있다. 각종 유해물질과 세균들이 음식물, 의류, 주택 등을 오염시키고 있어서 이러한 물질들을 제거하는 것이 오늘날 중요한 산업분야로 자리잡고 있다.
한편, 식품용 포장지 또한 다양한 용도로 발전해가고 있으며, 여기에 사용되고 있는 식품용기용 코팅제 역시 새로운 물성, 새로운 기능을 발휘하는 재료가 개발되어 왔다.
한국특허공보 제97-9884호에는 식품 포장 용기용 종이 표면에 적용할 수 있는 4급 암모늄 화합물, 붕산, 시트르산 및 말산과 같은 산형태의 화합물을 포함하는 항균 조성물을 기술하고 있으며, 한국특허출원 제2001-58565호는 기존 포장종이에 폴리아크릴레이트 공중합체를 코팅하여 인체에 무해하고 재활용이 가능한 식품용 포장용기에 대해 기술하고 있다.
한편, 은(Silver)은 예로부터 인류에게 유익한 금속으로 잘 알려져 있어 은수저, 은젓가락, 은식기 및 입냄새 제거용 은단 등으로 이용되고 있다. 또한 본초강목에서는 은을 몸에 지니면 오장이 편안하고 심신이 안정되며 나쁜 기를 쫓아내고 몸을 가볍게 하여 오래 살 수 있다고 기록되어 있다. 동의보감에서는 은은 간질 및 경기 등 정신질환과 냉대하와 같은 부인병 예방 및 치료에 효험이 있다고 기록되어 있다. 이처럼 인체에 유익함이 잘 알려진 은은 가격이 비싸 주로 고가의 제품에만 이용되고 있다.
은은 범용적인 항균제로서 잘 알려진 물질로서 콜로이드 형태의 은은 세균을 비롯한 균류 및 바이러스 등에도 탁월한 효과가 있으면서도 부작용은 없는 것으로 알려져 있다. 특히 은이 미세입자(1 내지 5㎚)로 분산되어진 나노실버 용액의 경우에는 쉽게 세포속으로 침투하여 바이러스, 박테리아, 곰팡이균류 등이 호흡할 때 필요한 효소의 기능을 정지시켜 질식시킴으로써 이들을 죽게 한다. 이는 병균의 신진대사를 막아 살균하는 것과 더불어 금속의 은이 방출하는 은의 전기적 부하가 병균의 생식 기능을 억제하기 때문이다.
이러한 은의 항균작용과 탈취효과를 이용하여 한국특허출원 제2001-16100호 와 같이 고순도의 은을 전기분해장치에서 무광물증류수에 이온으로 녹여준 은용출액을 섬유, 종이 등에 코팅하거나 식음료에 혼합하여 이용하거나, 한국특허출원 제2003-22819호와 같이 나노화된 은 화합물이나 콜로이달 실버를 폴리우레탄 필름에 도포하거나 코팅 또는 필름 내부에 포함시켜 섬유 등에 항균 및 탈취효과를 부여하고자 하는 시도들이 이루어지고 있다.
그러나, 고가의 비용으로 인해 1회용으로 사용하는 식품 용기에 실제로 이용하기에는 제약이 있어왔다.
이에 본 발명에서는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고가의 은을 나노입자 크기로 형성시킨 코팅 조성물을 종이, 전분, 스티로폼, 플라스틱과 같은 1회용 식품 포장용기 또는 도시락 등에 도포함으로써 적은 비용으로도 간편하게 넓은 면적에 항균 효과를 갖는 은이 함유된 항균 코팅 조성물을 적용할 수 있었으며, 본 발명은 이를 기초로 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 비용 효율적으로 간편하게 1회용 식품용기에 항균 효과를 제공할 수 있는 은나노를 포함하는 식품용기용 항균 코팅 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 상기 식품용기용 항균 코팅 조성물은 스티렌 및 에틸렌 불포화기를 함유하는 카르복시산 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 2종 이상이 선택된 모노머 혼합물을 유화제 및 중합개시제를 함유하는 수용액 상 내에서 60 내지 85℃의 온도로 유화중합시킨 후, 1 내지 1000ppm의 은 나노용액을 첨가하여 제조되며, 상기 유화중합반응결과 얻어지는 공중합체가 30 내지 80℃의 유리전이온도, 50,000 내지 500,000의 중량평균분자량 및 0.05 내지 0.5㎛의 평균입경을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 식품용기용 코팅 조성물의 제조방법을 나타낸 순서도이며, 이를 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 1차 원료인 물(분산매로서 바람직하게는 탈이온수), 유화제, 중합개시제를 우선 반응기에 투입하여 60 내지 85℃의 온도로 반응기 내부를 승온시킨다. 이후, 별도의 용기 내에서 균일하게 혼합한 2차원료인 모노머 혼합물 및 연쇄이동제의 혼합물을 상기 반응기에 교반하면서 적하하여 중합반응시키고, 반응 종료 후 상기 반응물을 약 80℃의 온도에서 숙성시킨 후 상온(약 30℃)으로 냉각시킨다. 상기 분산물을 중화시킨 다음 나노실버 용액과 혼합시켜서 최종적으로 본 발명의 코팅 조성물을 제조하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 나노실버가 포함된 식품용기용 항균 코팅 조성물에 관한 것으로, 상기 코팅 조성물은 분산액 내에 약 30∼80℃의 유리전이온도(Tg)를 갖는 공중합체가 분산된 상태로 존재하며, 상기 중합반응은 이미 당업계에서 널리 알려져 있는 유화중합(emulsion polymerization)에 의하여 수행된다.
일반적으로 유화중합의 경우, 유화제가 갖고 있는 친수성 부분 및 소수성 부분으로 인하여 수용액 상에서 미셀이 형성되고, 개시제는 중합온도에서 라디칼로 분해되어 미셀 내부로 들어간다. 이와 함께, 모노머는 분산상으로부터 확산하여 미셀 내부로 들어가 라디칼과 만나 중합반응이 시작된다. 중합반응이 진행됨에 따라 모노머 분산상은 모노머가 중합 확산되어 나가므로 점점 적어지고 중합이 일어나는 미셀은 중합체 입자로 점점 커져 고형분의 함량이 증가하게 된다.
이처럼, 본 발명에 있어서 모노머, 유화제, 수용성 개시제 및 물(분산매로서 바람직하게는 탈이온수)이 필수적으로 사용되는데, 바람직하게는 모노머 혼합물 100 중량부에 대하여 유화제 0.1 내지 4 중량부 및 개시제 0.05 내지 2중량부가 사용되며, 물은 바람직하게는 강화 조성물 내의 고형분 함량이 약 20 내지 60%가 되도록 그 사용량이 조절된다.
상기 중합반응에 사용되는 모노머는 스티렌 및 에틸렌 불포화기를 함유하는 카르복시산 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 모노머의 혼합물 형태로서, 특히 상기 에틸렌 불포화기를 함유하는 카르복시산의 유도체로는 에스테르 유도체가 바람직하다. 또한, 용기와의 접착력을 향상시키기 위해 상기 모노머를 2종 이상의 혼합물 형태로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 모노머의 대표적인 예로는 n-부틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 스티렌, 메타아크릴레이트, 메타아크릴산, 아크릴산, 에틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 이타콘산, 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트, 라우릴메타아크릴레이트 등이 있다. 사용가능한 대표적인 모노머의 화학식 및 이들의 중합체가 갖는 유리전이온도(Tg)를 하기 표 1에 나타내었다.
| 모노머 | 화학식 | 고분자의 유리전이온도 (℃) |
| n-부틸아크릴레이트 | CH2=CH-COO-(n)C4H9 | -54 |
| 메틸메타크릴레이트 | CH3 ｜ CH2=C-COOCH3 | 105 |
| 스티렌 | CH2=CH- | 100 |
| 메타크릴레이트 | CH2=CH-COOCH3 | 10 |
| 메타크릴산 | CH3 ｜ CH2=C-COOH | 228 |
| 아클릴산 | CH2=CH-COOH | 106 |
| 에틸아클릴레이트 | CH2=CH-COOC2H5 | -24 |
| 2-에틸헥실아크릴레이트 | CH2=CHCOO-CH2-CH-C4H9 ｜ C2H5 | -85 |
본 발명에 있어서, 중합반응장소를 제공하기 위하여 첨가되는 유화제로는 당업계에서 통상적으로 알려져 있는 음이온성, 양이온성 및 비이온성 유화제가 사용될 수 있다. 음이온성 유화제로는 비누(soap), LAS(리니어알킬벤젠설폰산염), SLS(라우릴설페이트염), SLES(라우릴에테르설페이트염), DOS(디옥틸설포석시네이트염), 알킬프로필설포석시네이트염,등이 있고, 양이온성 유화제로는 스테아릴트리메틸 암모늄염, 벤잘코니움 등이 있으며, 그리고 비이온성 유화제로는 NP(노닐페놀) 또는 라우릴알코올의 EO(에틸렌옥사이드) 부가물 등이 있다. 상기 유화제는 모노머 혼합물의 반응특성에 따라 단일물 또는 혼합물 형태로 사용될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 상기 유화제는 모노머 혼합물 100중량부를 기준으로 0.1 내지 4중량부의 범위로 사용되는데 0.1중량부 미만인 경우에는 반응진행이 어렵고 덩어리의 발생 및 에멀션의 안정성 등에 문제점이 있고, 4중량부를 초과하는 경우에는 제조공정에서 기포 발생이 많아 사용시 문제점이 있다.
상기 중합개시제로는 자유 라디칼 중합을 개시할 수 있는 종류이면 특별한 제한없이 사용될 수 있는데, 예를 들면 당업계에서 알려져 있는 과황산칼륨(potassium persulfate), 과황산 암모늄(ammonium persulfate), 유기과산화물, 과산화수소, 산화ㅇ환원계(redox system) 등으로부터 선택하여 사용될 수 있다. 상기 중합개시제는 모노머 혼합물 100중량부에 대하여 약 0.05 내지 2중량부의 범위로 사용되는데, 0.05중량부 미만인 경우에는 반응진행이 어려운 문제점이 있고, 2중량부를 초과하는 경우에는 반응 후 보관의 안정성에 문제점이 있다.
상기 언급된 성분이외에, 선택적 첨가제로서 알킬 머캅탄 등과 같은 연쇄이동제(chain-transfer agent), 탄산염과 같은 전해질, 가성소다, 암모니아수 등과 같은 중화제, 완충제, 환원제, 기타 보충제 등으로부터 1 또는 2 이상을 반응조건에 따라 적절한 양으로 사용할 수 있는데, 이러한 첨가제 성분은 당업계에서 알려져 있다. 예를 들면, 연쇄이동제(분자량 조절제)는 모노머 혼합물 100중량부에 대하여 약 2중량부까지, 그리고 전해질은 모노머 혼합물 100중량부에 대하여 약 1 중량부까지 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전술한 중합반응은 회분식 공정(batch process) 또는 연속공정(continuous process)이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 약 60 내지 85℃의 반응온도 및 불활성 분위기(예를 들면, 질소 가스 분위기)하에서 배치법, 모노머 첨가법, 에멀션 첨가법, 시드법 등 여러 가지 방법으로 반응이 수행되나, 일반적으로 다음과 같은 2가지 방식에 의하여 수행될 수 있다.
첫째, 모노머 첨가법으로 초기에는 유화제, 물 및 중합개시제를 반응기에 투입하고 모노머 혼합물을 약 2 내지 4시간에 걸쳐 연속적으로 투입하면서 반응시키는 방식이다. 이때, 중합개시제는 선택적으로 별도 용기에서 물에 용해시켜 모노머 투입과 함께 연속적으로 반응기에 첨가될 수도 있다. 상기 방식은 중합열 제거, 중합의 안정성, 입자경 조절이 용이한 장점이 있다.
둘째, 에멀션 첨가법으로 모노머 혼합물을 유화제 분산액에 에멀션시킨 후에 일부(전체 모노머 혼합물의 약 10 중량% 전후)를 반응기에 투입하고 중합시킨 후에 연속적 또는 단계적으로 나머지 모노머 에멀션을 투입하면서 약 2 내지 5시간에 걸쳐 반응시키는 방식이 있. 상기 방식은 중합열제거가 용이한 장점이 있으며, 입자경분포가 모노머 첨가법보다 넓게 나타난다.
이처럼, 본 발명에 있어서 여러 방식의 이용이 가능하나, 널리 이용되고 있는 전술한 2가지 방식이 바람직하며, 이 중에서도 모노머 첨가법에 따라 중합하는 것이 가장 바람직하다.
전술한 중합반응의 종료 결과, 공중합체는 약 30 내지 80℃의 유리전이온도(Tg)를 갖는제, 이는 상기 유리전이온도가 너무 높거나 낮으면 건조후 종이제품을 적층보관시 용기끼리 접착되어 코팅표면이 너무 높거나 낮으면 건조후 종이제품을 적층보관시 용기끼리 접착되어 코팅표면이 손상되거나 코팅표면이 갈라지는 현상이 나타나기 때문이다. 이외에도, 상기 공중합체의 중량평균분자량은 약 50,000 내지 500,000이며, 분산액 내에 함유되어 있는 공중합체 입자의 평균입경은 약0.05 내지 0.5㎛(500 내지 5,000Å)을 갖는다. 여기서, 상기 중량평균분자량의 경우에는 유화중합 후 일정한 분자량으로 제조가 거의 불가능하므로 본 발명의 방법으로 유화중합시 상기 범위내로 제조되며, 평균입경의 경우 입자크기가 상기 범위를 벗어나면 장기보관시 물과 고형분이 분리되는 현상이 발생하므로 부적합하다. 또한, 본 발명의 코팅 조성물(분산액)은 약 20 내지 60%의 고형분 함량을 갖도록 하는 것이 바람직한데, 이는 제조의 용이성, 보관 유통상의 문제, 다른 보충제와의 혼합 등을 고려한 결과이다.
본 발명에서 사용되는 나노실버 용액은 현재 상업적으로 시판중인 나노실버 증류수 희석용액을 사용한다
본 발명에서는 전체 코팅 조성물에 대해서 1 내지 1000ppm의 나노실버 입자가 포함되도록 나노실버 용액을 첨가한다.
상기 나노실버의 입자 크기는 0.1 내지 10나노미터이다. 본 발명의 코팅 조성물은 그 자체로 식품용 용기면에 도포한 후 건조하면 용기표면에 코팅이 된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅 조성물을 물과 4 : 1의 비율로 혼합하여 코팅하고자 하는 식품용기 표면에 얇게 도포시키고, 100 내지 170℃의 오븐에서 약 1 내지 5분여간 건조시킨 후 냉각 포장하게 된다.
이렇게 제조된 본 발명의 코팅 조성물은 인체에 무해하기 때문에 식품용기용으로 사용가능할 뿐만 아니라, 접착력 및 방수기능이 있는 특징으로 인해 1회용 종이, 전분, 스티로폼, 플라스틱 등으로 제조된 식품용기 또는 도시락등의 표면에 도포하면 코팅력이 우수하여 본 발명의 조성물 내에 포함된 나노실버가 균일하게 분포되어 지속적으로 항균 효과를 유지시킬 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 코팅 조성물을 사용하면 비용을 절감하여 고가의 은을 항균 효과를 얻기 위해 이용할 수 있는 장점이 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하나, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
순환응축기 및 교반기가 부착된 반응기 내로 탈이온수 64중량부, 유화제(SLS) 1중량부, 중합개시제(과황산암모늄) 0.2중량부를 넣고 교반하면서, 반응기 내부를 80℃까지 승온시켰다. 이와 별도의 용기 내에서 메틸메타아크릴레이트 15 중량부, 스티렌 10중량부 및 n-부틸아크릴레이트 10중량부로 이루어진 모노머 혼합물 및 연쇄이동제(라우릴머캅탄) 0.2중량부를 균일하게 혼합한 후에 상기 반응기로 적하하면서 3시간 동안 교반 하에서 반응시켰다. 이때, 상기 모노머 혼합물 및 연쇄이동제를 투입하면서 질소가스로 퍼지시켰다. 반응의 종료 후에 반응기 내용물은 80℃서 1시간 동안 교반 하에서 숙성시킨 후에 상온으로 냉각하였다. 그 다음, 상기 분산물에 암모니아수를 첨가하여 pH6.5로 중화시킨후 나노실버(5000ppm) 0.2%를 첨가 시켰다.
상기 분산액 내의 고형분의 함량은 35.3%이었으며, 측정된 공중합체의 유리전이온도는 58℃이었고, 공중합체 입자의 평균입경은 0.12㎛이었다.
실시예 2
순환응축기 및 교반기가 부착된 반응기 내로 탈이온수 38.2중량부, 유화제(SLES, NP 40몰) 각각 0.7중량부를 넣고 교반하면서, 반응기 내부를 75℃까지 승온시켰다. 이와 별도의 용기 내에서 메틸메타아크릴레이트 28중량부, n-부틸아크릴레이트 12중량부로 이루어진 모노머 혼합물 및 연쇄이동제(라우릴머캅탄) 0.2중량부를 균일하게 혼합한후에 상기 반응기로 적하하였고, 다른 용기에 중합개시제(과황산암모늄) 0.2중량부를 물 20중량부에 잘 용해시켜 함께 적하하면서 3시간 동안 교반 하에서 반응시켰다. 이때, 상기 모노머 혼합물 및 연쇄이동제의 혼합물을 투입하면서 질소가스로 퍼지시켰다. 반응의 종료 후에 반응기 내용물은 75℃에서 1 시간 동안 교반 하에서 숙성시킨 후에 상온으로 냉각하였다. 그 다음, 상기 분산물에 암모니아수를 첨가하여 pH6.5로 중화시킨후 나노실버(5000ppm, 나노테크) 0.4%를 첨가 시켰다.
상기 분산액 내의 고형분의 함량은 41.5%이었으며, 측정된 공중합체의 유리전이온도는 57℃이었고, 공중합체 입자의 평균입경은 0.081㎛이었다.
하기 표 1에는 본 발명에 따른 항균 코팅 조성물의 항균 효과 결과를 나타내었으며, 항균효과의 측정 방법은 다음과 같다.
* 항균성 시험방법
JIS Z 2801 항균가공제품-항균성시험방법.항균효과(2000) 준용
주)시험조건
1. 시험종균
-시험균 1 : Staphyloccocus aureus ATCC 6538
-시험균 2 : Escherichia coli ATCC 8739
2. 접종균액의 농도 및 접종량
-시험균 1 : 3.8 ×106 개/㎖, 0.1㎖
-시험균 2 : 1.1 ×106 개/㎖, 0.1㎖
3. 접종액의 종류 및 농도 : 1/100 Nutrient broth
4. 시험편의 종류 및 크기 : 상기항균성 코팅제로 코팅한 종이 50 ×50mm
5. 비이온 계면활성제 : Tween 80, 접종균액에 0.05% 첨가
| 구 분 | 정균감소율(%) | |
| 시험균 1 | 시험균 2 | |
| 실시예 1 | 99.9 | 99.9 |
| 실시예 2 | 99.9 | 99.9 |
상기 표 2에서 보는 바와 같이 본 발명의 코팅 조성물의 우수한 항균성을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 나노실버(은 나노) 입자를 포함하는 코팅 조성물은 항균효과가 뛰어난 은을 종래 비용적인 이유로 적용하는 데 어려움이 있었던 1회용 종이(pulp), 전분, 스티로폼, 프라스틱등으로 제조된 식품용 포장용기 또는 도시락 등에 비용을 절감하여 도포할 수 있어, 유해성이 있는 균의 번식을 방지하므로서 오랫동안 식품의 신선도를 유지하고자 하는 식품 용기류등의 제조분야에 적용가능할 것으로 기대된다.
Claims (5)
- 항균효과를 갖는 식품용기용 코팅 조성물에 있어서, n-부틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 스티렌, 메타아크릴레이트, 메타아크릴산, 아크릴산, 에틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 이타콘산, 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트 및 라우릴메타아크릴레이트 이루어진 군으로부터 2종 이상이 선택된 모노머 혼합물을 유화제 및 중합개시제를 함유하는 수용액에서 60 내지 85℃의 온도로 유화중합시킨 후, 전체 반응물에 1 내지 1000ppm의 농도가 되도록 은 나노용액을 첨가하여 제조되며, 상기 유화중합반응결과 얻어지는 공중합체가 30 내지 80℃의 유리전이온도, 50,000 내지 500,000의 중량평균분자량 및 0.05 내지 0.5㎛의 평균입경을 갖는 것을 특징으로 하는 항균효과를 갖는 식품용기용 코팅 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 조성물 내의 고형분 함량이 20 내지 60%인 것을 특징으로 하는 식품용기용 코팅 조성물.
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| KR20190002390A (ko) | 2018-12-26 | 2019-01-08 | 충남대학교산학협력단 | 아연알루미네이트 박막을 이용한 항균 처리방법 |
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