KR101083194B1 - 라텍스 분포가 조절된 코팅 구조를 갖는 코팅지 및 제조방법 - Google Patents

라텍스 분포가 조절된 코팅 구조를 갖는 코팅지 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코팅지의 괘선 터짐(fold crack) 현상을 개선하기 위하여 종이 코팅층의 스티렌-부타디엔 라텍스 분포를 조절한 코팅 구조를 갖는 코팅지 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리전이온도와 입자크기가 상이한 스티렌-부타디엔 공중합체 라텍스를 종이 코팅층의 특정 영역에 각각 분포시킴으로써 코팅지의 괘선 터짐이 현저하게 감소한 코팅지 및 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 제시하는 종이 코팅 구조는 입자크기가 70 내지 120 nm, 유리전이온도가 10 내지 30 ℃인 라텍스를 원지쪽 코팅층에 분포시키고, 입자크기가 120 내지 200 nm, 유리전이온도가 -30 내지 0 ℃인 라텍스를 바깥쪽 코팅층에 분포시킴으로써 얻어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 다른 종류의 라텍스를 2개의 코팅층에 나누어 적용시 기존의 일반적인 코팅지에 비하여 종이 강직도(stiffness)와 괘선 터짐 현상이 크게 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

라텍스 분포가 조절된 코팅 구조를 갖는 코팅지 및 제조방법 {Paper product having a latex distribution-controlled coating structure and a method for preparing thereof}
본 발명은 코팅지의 괘선 터짐(fold crack) 현상을 개선하기 위하여 종이 코팅층의 스티렌-부타디엔 라텍스 분포를 조절한 코팅 구조를 갖는 코팅지 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리전이온도와 입자크기가 상이한 스티렌-부타디엔 공중합체 라텍스를 종이 코팅층의 특정 영역에 각각 분포시킴으로써 코팅지의 괘선 터짐이 현저하게 감소한 코팅지 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스티렌-부타디엔계 라텍스는 클레이, 탄산칼슘, 알루미늄 하이드록사이드(Al(OH)3), 산화티타늄(TiO2) 등의 무기안료를 종이에 접착시키기 위한 바인더(binder)로 널리 사용되고 있다. 이렇게 제조된 종이를 코팅지라고 하며, 사용하는 안료나 바인더의 종류에 따라 여러 가지 코팅 특성 및 코팅지 물성이 크게 변하게 된다.
이 같은 코팅지 물성 중 중요하게 부각되는 것으로서, 괘선 터짐(fold crack) 현상과 종이 강직도가 있다. 일반적으로 포장지 등에 사용하기 위하여 종이를 접어야 할 필요가 있을 때, 종이를 인쇄한 후 괘선을 넣고 접기 공정을 거치게 되는데 이때 높은 기계적 압력으로 인해 종이가 터지는 현상이 괘선 터짐이다. 이 같은 괘선 터짐이 발생하게 되면 우선 인쇄물의 미관상 손실이 심해지므로 상품으로서의 가치 저하가 매우 크며, 그 정도가 심각한 경우 포장 재료로서의 기계적 강도 역시 현저하게 저하되어 포장 재료로서의 기능에도 큰 문제가 된다. 종이 강직도 역시 중요한데, 이는 주로 포장 내용물을 효과적으로 보호하기 위함이며, 일반적으로 터짐 현상이 개선될수록 약화되는 경향이 있다.
상기 괘선 터짐에 가장 큰 영향을 주는 인자로는 원지(base stock), 코팅, 안료, 라텍스 및 습도 등이 있다. 이중 가장 큰 영향을 주는 인자 중 하나는 원지로서 사용된 펄프의 종류 등에 따라서 내절도(Fold endurance) 및 괘선 터짐이 영향을 받으며, 특히 두께가 두꺼워질수록 내절도와 종이 강직도는 높아지지만 괘선 터짐은 크게 심해지게 된다.
또 하나의 주요 인자로 코팅층의 유무를 들 수 있다. 코팅층은 원지층에 비하여 탄성율이 매우 높으므로, 코팅층이 존재하게 되면 종이 강직도는 향상되나 종이를 구부릴 때 발생하는 접힌 면의 표면적 증가를 견디는 힘이 약화되므로 보다 쉽게 균열이 생기고 터짐 현상이 발생하게 된다. 따라서 같은 두께의 종이라도 코팅층이 더욱 두꺼운 종이가 훨씬 더 심각한 터짐 현상이 발생할 가능성이 높다.
코팅에 사용되는 안료 역시 코팅층의 탄성도를 변화시킴으로써 터짐 현상에 영향을 주며, 일반적으로 클레이가 탄산칼슘에 비하여 터짐 현상에 대한 저항도를 높여줄 수 있다고 받아들여지고 있다.
습도 역시 주요 인자인데, 습도가 낮아지게 되면 종이의 신축도가 떨어져 터짐 현상이 더욱 심각해진다.
그러나 상기의 요인들이 모두 중요함에도 불구하고, 예를 들어 원지나 습도는 쉽게 바꾸거나 조절하기가 어려운 경우가 많으므로 코팅지의 경우 코팅층의 특성이 터짐 현상을 개선하기 위한 가장 현실적인 대안이 되고 있다.
괘선 터짐 현상에 영향을 줄 수 있는 코팅층의 특성으로 가장 중요한 것으로는 코팅층의 탄성도 및 신축도 등을 들 수 있으며, 이에 가장 큰 영향을 주는 인자는 라텍스 바인더이므로 어떠한 라텍스를 코팅층에 어떻게 분포시키느냐가 코팅지의 터짐 현상과 크게 관계되게 된다. 일반적으로 코팅층에 사용되는 라텍스의 유리전이온도가 낮을수록 코팅층의 신축도가 높아져 터짐 현상이 개선된다고 받아들여지고 있으나, 이 경우 종이 강직도의 저하가 심하여 포장 내용물의 보호라는 목적을 달성하기 어려워질 수 있다.
또한, 라텍스의 유리전이온도를 높이게 되면 종이 강직도는 높아지지만 터짐 현상이 더욱 심해지게 된다. 라텍스의 입자크기 역시 터짐 현상에 영향을 줄 수 있다. 라텍스의 입자 크기가 작을수록 안료와의 접착 표면적이 넓어져 접착력이 증대하는 한편, 물의 이동에 쉽게 휩쓸리므로 그 이동 및 분포가 넓어지는 경향이 있다.
특히 원지층에 인접한 코팅층에 사용되는 라텍스의 경우, 라텍스의 입자 크기가 작을수록 원지층으로 라텍스가 침투하는 정도가 심해지므로 코팅층에 인접한 원지층의 특성을 변화시킴으로써 터짐 현상에 영향을 주게 된다.
상기의 영향 인자들을 종합해볼 때, 괘선 터짐 현상을 억제하기 위해서는 얇은 원지와 얇은 코팅층, 그리고 낮은 유리전이온도를 갖는 라텍스가 사용된 종이가 바람직하다고 할 수 있다. 그러나 포장 내용물을 보호하기 위해서는 원지가 두꺼울수록 유리하며, 최근 점차 높아지고 있는 종이 사용자의 미적 감각을 고려할 때 코팅층이 두꺼워지는 것이 현 추세이므로 이러한 방안은 제지업체에서 선택하기 어려운 것이 현실이다. 또한 낮은 유리전이온도를 갖는 라텍스를 사용하는 방안 역시 종이 강직도에 큰 저하를 가져올 수 있으므로 가능한 해결책으로 보기 어렵다.
따라서 상기 문제들을 해결하기 위해서는 종이 강직도를 최대한 유지하면서 터짐 현상을 개선할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 연구를 계속하던 중 유리전이온도와 입자크기가 상이한 스티렌-부타디엔 공중합체 라텍스를 종이 코팅층의 특정 영역에 각각 분포시키면 코팅지의 괘선 터짐이 현저하게 감소한 코팅지를 제공할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 목적은 코팅지의 괘선 터짐이 현저하게 감소되도록 특정 구조를 적용한 코팅지 및 그 제조방법을 제공하려는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
상기 코팅지는 스티렌-부타디엔 라텍스로서 입자크기와 유리전이온도가 상이한 라텍스를 적용한 프리 코팅층과 탑 코팅층을 원지 상에 순차적으로 형성시킨 총 2층의 코팅 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는
입자 크기가 70 내지 120 nm이고 유리전이온도가 10 내지 30 ℃인 라텍스가 포함된 제1 도공액과 입자 크기가 120 내지 200 nm이고 유리전이온도가 -30 내지 0 ℃인 라텍스가 포함된 제2 도공액을 제조하는 단계; 상기 제1 도공액을 원지 상에 코팅한 다음 건조시켜 프리 코팅층으로서 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 도공액을 상기 제1 코팅층 상에 코팅한 다음 건조시켜 탑 코팅층으로서 제2 코팅층을 완성하는 단계; 를 포함하여 이루어지며,
이때 제1 코팅층과 제2 코팅층으로된 전체 코팅층의 총 두께는 20 내지 60㎛ 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 코팅지의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 입자크기와 유리전이온도가 상이한 2종의 스티렌-부타디엔 라텍스를 각각 프리 코팅층과 탑 코팅층에 적용하여 원지 상에 총 2층의 코팅 구조를 갖는 코팅지를 제공하는 것을 일 기술적 특징으로 한다.
상기 스티렌-부타디엔계 라텍스는 기본적으로 스티렌계 단량체와 공액디엔계 단량체를 에틸렌계 불포화산 단량체와 유화 중합함으로써 얻어진다.
이때 스티렌계 단량체로는 이에 한정하는 것은 아니나, 스티렌, α-메틸스티렌, α-에틸스티렌, p-메틸스티렌, p-에틸스티렌, 2,4-디메틸스티렌, α-메틸-p-메틸스티렌, 할로겐화 스티렌 화합물 및 o-메톡시스티렌 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것이 바람직하고, 특히 스티렌이 보다 바람직하다.
상기 스티렌계 단량체는 전체 단량체의 총 100 중량부에 대하여 29 내지 79 중량부, 바람직하게는 39 내지 74 중량부로 투입하는 것이 바람직한데, 이는 스티렌의 함량이 너무 적으면 강직도 및 내수성이 낮아지며, 함량이 너무 많으면 접착력 및 필름 형성력이 저하되는 문제가 있기 때문이다.
또한, 공액디엔계 단량체는 이에 한정하는 것은 아니나, 1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 1,3-펜타디엔, 이소프렌 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것이 바람직하고, 특히 1,3-부타디엔이 보다 바람직하다.
상기 공액디엔계 단량체는 전체 단량체의 총 중량 기준으로 20 내지 70 중량부, 바람직하게는 25 내지 60 중량부로 투입하는 것이 바람직한데, 이는 공액디엔계 단량체의 함량이 너무 적으면 접착력이 나빠지며, 함량이 너무 많으면 종이 광택 및 강직도가 저하되기 때문이다.
여기에 강한 접착력을 부여하기 위하여 에틸렌성 불포화산 단량체를 공중합시킨 형태를 갖는다. 이때 상기 에틸렌성 불포화산 단량체로는 카르복실기, 술폰산기, 산 무수물기 등의 산성기를 함유하는 에틸렌성 불포화 단량체로서, 예를 들어, 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 말레인산, 푸마르산 등의 에틸렌성 불포화 카르본산 단량체; 무수 말레산, 무수 시트라콘산 등의 폴리카르본산 무수물; 스티렌 술폰산 등의 에틸렌성 불포화 술폰산 단량체; 푸마르산 모노부틸, 말레인산 모노부틸, 말레인산 모노-2-히드록시 프로필 등의 에틸렌성 불포화 폴리카르본산 부분 에스테르(partial ester) 단량체 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것이 바람직하다. 이들 중 에틸렌성 불포화 카르본산 단량체를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 메타크릴산을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이러한 에틸렌성 불포화산 단량체는 알칼리 금속염 또는 암모늄염의 형태로 사용될 수 있다.
상기 에틸렌성 불포화산 단량체는 전체 단량체의 총 중량 기준으로 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 2 내지 8 중량부 범위 내로 투입되는 것이 좋다. 투입량이 너무 적으면 접착력과 라텍스의 안정성이 저하되고, 너무 많으면 라텍스의 점도가 지나치게 높아져 코팅 작업성이 나빠지므로 바람직하지 않다.
나아가 접착력과 인쇄 광택 등의 인쇄 특성을 더욱 개선하기 위하여 에틸렌성 불포화 니트릴 단량체 또는 불포화 카르본산 알킬에스테르 등 기타 공중합 가능한 비닐계 단량체도 사용할 수 있다.
상기 에틸렌성 불포화 니트릴 단량체는 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 푸마로니트릴, α-클로로니트릴, α-시아노에틸 아크릴로니트릴 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것이 바람직하며, 특히 아크릴로니트릴 또는 메타크릴로니트릴을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 에틸렌성 불포화 니트릴 단량체의 사용량은 전체 단량체의 총 중량 기준으로 최대 20중량부, 바람직하게는 3 내지 10 중량부로 투입하는 것이 좋으며, 에틸렌성 불포화 니트릴 단량체의 함량이 너무 작으면 잉크 건조 속도가 저하될 수 있다.
또한, 기타 인쇄 특성의 조절을 위하여 상기 에틸렌성 불포화 니트릴 단량체와 에틸렌성 불포화산 단량체와 공중합 가능한 에틸렌성 불포화 단량체로는 플루오로 에틸비닐 에테르 등의 플루오로알킬비닐 에테르; (메타)아크릴아미드, N-메틸올 (메타)아크릴아미드, N,N-디메틸올 (메타)아크릴아미드, N-메톡시 메틸(메타)아크릴아미드, N-프로폭시 메틸(메타)아크릴아미드 등의 에틸렌성 불포화 아미드 단량체; 비닐피리딘; 비닐 노르보넨; 디시클로펜타디엔, 1,4-헥사디엔 등의 비공역디엔계 단량체; (메타)아크릴산 메틸, (메타)아크릴산 에틸, (메타)아크릴산 부틸, (메타)아크릴산-2-에틸헥실, (메타)아크릴산 트리플루오로에틸, (메타)아크릴산 테트라플루오로프로필, 말레인산 디부틸, 푸마르산 디부틸, 말레인산 디에틸, (메타)아크릴산 메톡시메틸, (메타)아크릴산 에톡시에틸, (메타)아크릴산 메톡시에톡시 에틸, (메타)아크릴산 시아노에틸, (메타)아크릴산 2-시아노에틸, (메타)아크릴산 1-시아노프로필, (메타)아크릴산 2-에틸-6-시아노헥실, (메타아크릴산 3-시아노프로필, (메타)아크릴산 히드록시에틸, (메타)아크릴산 히드록시프로필, 글리시딜 (메타)아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트 등의 에틸렌성 불포화 카르본산 에스테르 단량체; 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기 에틸렌성 불포화 단량체는 전체 단량체의 총 중량 기준으로 최대 8 중량부 범위 내로 투입되는 것이 바람직한데, 사용량이 너무 많으면 라텍스 안정성이 잘 저하될 수 있다.
상기 라텍스는 상술한 각 단량체의 혼합물을 어떠한 통상의 방법에 의해서든 유화중합하여 제조할 수 있다.
단량체 혼합물의 첨가 방법은 특히 한정되지 않고, 단량체 혼합물을 중합 반응기에 일괄 투입하거나, 연속 투입, 혹은 일부를 먼저 투입한 다음 나머지 단량체들은 연속 공급하는 방법 중 어느 방법을 사용하여도 바람직하다.
상기 중합 온도는 이에 한정하는 것은 아니나, 30 내지 100 ℃, 바람직하게는 50 내지 85℃에서 수행할 수 있다.
유화 중합시에는 유화제, 중합 개시제, 분자량 조절제 등을 포함할 수 있다.
상기 유화제로는 이에 한정하는 것은 아니나, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 양성 계면활성제 등을 사용할 수 있다. 이중에서 알킬벤젠술폰산염, 지방3족 술폰산염, 고급 알코올의 황산에스테르염, α-올레핀 술폰산염, 알킬에테르 황산에스테르 염 등의 음이온성 계면활성제가 바람직하게 사용될 수 있다. 유화제의 사용량은 전체 단량체 100 중량부에 대하여 바람직하게는 0.3 내지 10 중량부, 보다 바람직하게는 1 내지 6 중량부이다.
상기 중합개시제로는 이에 한정하는 것은 아니나, 과황산나트륨, 과황산칼륨, 과황산암모늄, 과인산칼륨, 과산화수소 등의 무기 과산화물; t-부틸 퍼옥사이드, 큐멘 하이드로퍼옥사이드, p-멘탄하이드로 퍼옥사이드, 디-t-부틸 퍼옥사이드, t-부틸쿠밀 퍼옥사이드, 아세틸 퍼옥사이드, 이소부틸 퍼옥사이드, 옥타노일 퍼옥사이드, 디벤조일 퍼옥사이드, 3,5,5-트리메틸헥산올 퍼옥사이드, t-부틸 퍼옥시 이소부티레이트 등의 유기 과산화물; 아조비스 이소부티로니트릴, 아조비스-2,4-디메틸발레로니트릴, 아조비스시클로헥산카르보니트릴, 아조비스이소낙산(부틸산)메틸 등의 질소 화합물; 과 같은 라디칼 개시제가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 라디칼 개시제 중 무기 또는 유기 과산화물이 바람직하고, 그중 과황산염이 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중합 개시제의 사용량은 전체 단량체 100 중량부에 대하여 바람직하게는 0.01 내지 2 중량부, 보다 바람직하게는 0.05 내지 1.5 중량부이다.
분자량 조절제로는 이에 한정하는 것은 아니나, 예를 들면, α-메틸스티렌 다이머, t-도데실 머캅탄, n-도데실 머캅탄, 옥틸 머캅탄 등의 머캅탄류; 사염화탄소, 염화메틸렌, 브롬화메틸렌 등의 할로겐환 탄화수소; 테트라에틸 티우람 디설파이드, 디펜타메틸렌 티우람 디설파이드, 디이소프로필크산토겐 디설파이드 등의 황 함유 화합물 등을 들 수 있다. 이중에서 머캅탄류가 바람직하고, t-도데실 머캅탄이 보다 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 분자량 조절제는 종류에 따라 상이하지만, 전체 단량체의 총 100 중량부에 대하여 바람직하게는 0.1 내지 1.5 중량부, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.9 중량부이다.
이 같은 라텍스의 유리전이온도는 중합시 사용되는 단량체의 비율을 조정함으로써 조절가능한데, 일반적으로 스티렌 함량이 높을수록 유리전이온도가 높아지며, 부타디엔 등 공액디엔계 단량체의 함량이 높아지면 유리전이온도가 낮아지게 된다.
또한, 이 같은 라텍스의 입자 크기는 통상적으로 70 내지 200 nm이며, 유화 중합시 사용하는 유화제의 종류 및 사용량을 조정하여 조절할 수 있다. 일반적으로 중합 시 사용하는 유화제의 함량이 많으면 라텍스의 입자 크기가 작아지며, 유화제의 함량이 적어지면 라텍스의 입자 크기가 커지게 된다.
이 같은 점에 기초하여 적절한 유리전이온도와 입자크기를 갖는 라텍스의 제조가 가능하며, 이 2가지 라텍스 특성과 코팅 구조가 괘선 터짐 현상과 종이 강직도에 가장 큰 영향을 주는 것이다.
상기 2가지 라텍스 중 1종으로는 이에 한정하는 것은 아니나, DSC(Differential Scanning Colorimer)로 측정한 유리전이온도가 10 내지 30 ℃, 바람직하게는 15 내지 25℃이며, 레이저 스캐터링(Lazer Scattering) 법에 의해 측정한 입자크기가 70 내지 120 nm, 바람직하게는 80 내지 100 nm인 스티렌-부타디엔 라텍스를 사용하는 것이 바람직하다. 이하에서는 편의상 '라텍스-1'이라 지칭한다.
상기 유리전이온도가 10 ℃ 미만이면 본 발명의 코팅 구조에서 종이 강직도가 저하되며, 30 ℃를 초과하면 터짐 현상과 접착력 저하가 심해진다. 또한 입자 크기가 70 nm 미만이면 원지로의 지나친 라텍스 침투로 터짐 현상과 접착력 저하가 심해지며, 120 nm를 초과하면 종이 강직도가 낮아지므로 바람직하지 않다.
나머지 1종의 라텍스로는 이에 한정하는 것은 아니나, 유리전이온도가 -30 내지 0 ℃, 바람직하게는 -20 내지 -10℃이며, 입자크기가 120 내지 200 nm, 바람직하게는 130 내지 180 nm인 스티렌-부타디엔 라텍스를 사용하는 것이 바람직하다. 이하에서는 편의상 '라텍스-2'라 지칭한다.
상기 유리전이온도가 -30 ℃ 미만이면 본 발명의 코팅 구조에서 종이 광택과 종이 강직도가 저하되며, 0 ℃를 초과하면 터짐 현상과 접착력 저하가 심해진다. 또한 입자 크기가 120 nm 미만이면 종이 강직도와 종이 광택 저하가 심해지며, 200 nm를 초과하면 터짐 현상과 접착력 저하도가 심해지므로 바람직하지 않다.
이와 같이 제조한 라텍스에 클레이, 탄산칼슘 등의 안료 등을 배합하고 필요에 따라 플라스틱 안료 및 티타늄 옥사이드와 같은 보조 안료; 실리카와 같은 충진제; 스타치 및 CMC(Sodium Carboxymethyl Cellulose)와 같은 증점제; 킬레이트제; 분산제; pH 조절제; 탈산소제; 입경조정제; 노화방지제; 산소 포착제(oxygen scavenger); 등을 추가하여 코팅액(coating color)를 제조할 수 있다.
상술한 2종의 라텍스를 사용하는 코팅하는 코팅 구조는 코팅층의 수에 따라 한겹 코팅과 두겹 코팅으로 나눌 수 있으나, 본 발명에서는 2가지 종류의 라텍스로 두겹 코팅하는 구조를 적용하는 것이 바람직하다. 이중 원지층에 인접한 코팅층은 제1 코팅층이라 하고, 그 위에 형성되는 표면 쪽에 노출되는 코팅층은 제2 코팅층이라 칭한다.
즉, 본 발명의 코팅 구조는 상술한 특정 유리전이온도와 입자 크기를 갖는 라텍스를 제1 코팅층(프리 코팅층)과 제2 코팅층(탑 코팅층)에 각각 분포시킴으로써 얻어진다. 구체적으로는 제1 코팅층에 라텍스-1을 바인더로 사용하면서 제2 코팅층에 라텍스-2를 바인더로 사용하는 구조를 갖는다.
이때 각 코팅층의 두께 비율은 제1/제2 코팅층의 비가 0.1 내지 1.0, 바람직하게는 0.3 내지 0.8 범위 내인 것이다. 이때 두께비율이 0.1 미만이면 종이 강직도가 저하되며, 1.0을 초과하면 터짐 현상과 접착력 저하가 심해지므로 바람직하지 않다.
그리고 이에 한정하는 것은 아니나, 제1 및 제2 코팅층의 총 두께는 20 내지 60 ㎛ 정도가 바람직하며, 코팅층의 두께가 너무 얇으면 인쇄 물성이 저하되며, 코팅층의 두께가 너무 두꺼우면 터짐 현상이 심해질 수 있다.
상기 각 코팅층의 라텍스 함량은 고형분의 중량%로 정의할 수 있다. 예를 들어 제1 코팅층(프리 코팅층)의 라텍스 함량은 제1 코팅층의 고형분 기준으로 3 내지 15 중량%, 바람직하게는 5 내지 12 중량%로서, 3 중량% 미만이면 터짐 현상과 접착력 저하가 심해지며, 15 중량%를 초과하면 종이 강직도가 낮아져 바람직하지 않다.
또한, 상기 제2 코팅층(탑 코팅층)의 라텍스 함량은 제2 코팅층의 고형분을 기준으로 7 내지 20 중량%, 바람직하게는 10 내지 17 중량%로서, 7 중량% 미만이면 터짐 현상과 접착력 저하가 심해지며, 20 중량%를 초과하면 종이 강직도가 낮아져 바람직하지 않다.
본 발명의 코팅지는 다음과 같은 방식으로 제조할 수 있다. 우선, 상술한 2가지 종류의 스티렌-부타디엔 라텍스를 제조한 다음 여기에 안료, 보조안료 및 증점제 등을 추가하여 도공액을 제조한다. 배합량은 이에 한정하는 것은 아니나, 안료 및 보조안료 100 중량부에 대하여 라텍스 5 내지 20 중량부 그리고 증점제 0.1 내지 9 중량부로 혼합하는 것이 일반적이다. 라텍스 함량이 너무 적으면 접착력이 낮아지며 그 함량이 지나치게 많으면 종이 광택과 잉크 건조 속도(ink set-off)가 저하될 수 있다. 증점제의 경우, 코팅 속도와 코팅 두께 및 코팅액의 고형분을 고려하여 적절하게 투입하여야 최적의 코팅 안정성을 얻을 수 있다.
특히 얻어진 코팅액은 고형분 60 내지 75%, pH 8 내지 11을 만족하는 것이 코팅액의 안정성과 코팅 안정성을 감안할 때 바람직하다.
이와 같이 얻어진 라텍스-1 포함 도공액을 원지 상에 코팅한 다음 건조시키고(프리코팅층), 그런 다음 라텍스-2 포함 도공액을 상기 코팅층 상에 코팅한 다음 건조시켜(탑 코팅층) 총 2층의 코팅층 구조를 형성하게 된다. 이때 전체 코팅층의 총 두께는 20 내지 60㎛ 범위 내이고, 원지 종류는 이에 한정하는 것은 아니나, 아트지용 원지, 아트보드지용 원지, 판지용 원지 등이 가능하고, 특히 평량 70 내지 350 g/m2 범위 내인 것이 바람직하다.
본 발명의 코팅 구조를 갖는 코팅지는 카렌다 공법 상 슈퍼카렌다(super calendar), 소프트닙 카렌다(soft-nip calendar) 등으로 적용 가능하다.
본 발명에 의하면, 코팅지의 괘선 터짐과 종이 강직성이 모두 개선된 코팅지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 코팅지에 대한 괘선 터짐과 괘선 터짐 SEM 사진(x90) 및 접착력을 확인한 사진이고,
도 2는 비교예 1에 의해 제조된 코팅지에 대한 괘선 터짐과 괘선 터짐 SEM 사진(x90) 및 접착력을 확인한 사진이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예
(라텍스 제조)
하기 표 1에 기재한 바와 같이, 유리전이온도와 입자 크기가 다른 6종의 라텍스를 10L 고압 반응기에서 유화 중합 방법을 사용하여 중합하였다. 유리전이온도를 조절하기 위하여 스티렌과 부타디엔의 비를 조절하였으며, 입자 크기를 조절하기 위하여 유화제의 양을 조절하였다. 중합시 스티렌, 부타디엔 및 유화제의 양을 제외하고 다른 모든 단량체, 첨가제의 양은 동일하게 유지하였다. 중합 온도는 72 ℃로 유지하였다.
제조된 라텍스의 유리전이온도(℃)는 DSC(Differential Scanning Colorimer)를 사용하여 측정하였으며, 입자 크기(nm)는 레이저 스캐터링 (Lazer Scattering) 법에 의거하여 측정하였다.
구분 라텍스 A 라텍스 B 라텍스 C 라텍스 D 라텍스 E 라텍스 F
스티렌 (중량부) 65 69 49 44 65 49
부타디엔 (중량부) 31 27 47 52 31 47
도데실디벤젠 술폰산나트륨 (중량부) 5.5 4.5 3 4 3 5.5
아크릴산 (중량부) 4
t-도데실머캅탄 (중량부) 0.25
칼륨퍼설페이트 (중량부) 0.9
유리전이온도 (℃) 17 25 -14 -22 17 -14
입자 크기 (nm) 90 110 155 130 155 90
(코팅액 제조 및 코팅 공정):
제1 코팅액(프리 코팅용)의 안료로는 탄산칼슘 100 중량부, 증점제로서 스타치 4 중량부를 사용하였으며, 라텍스 사용 함량은 표 2와 표 3에 나타낸 바와 같이 조절하였다. 상기 코팅액의 고형분 함량은 65%, pH 9로 코팅액을 제조하여 사용하였다.
제2 코팅액(탑 코팅용)의 경우, 탄산칼슘 80 중량부와 클레이 20 중량부, 증점제로 CMC(Finfix 5) 0.3 중량부를 사용하였다. 라텍스 사용 함량은 표2와 표 3에 나타낸 바와 같이 조절하였다. 상기 코팅액의 고형분은 68%, pH 9로 제조하여 사용하였다.
또한, 상기 코팅은 MLC 랩 코터를 사용하여 실시하였으며, 본 실험에서 사용한 원지는 평량 160g/m2인 아트지용 원지를 사용하였고, 총 2층의 전체 코팅 두께는 40 ㎛하면서 하기 표에 제시한 층 비율을 만족하도록 조절하였다.
상기 코팅 속도는 100 m/min이었고, 건조 조건은 Hot air 130 ℃, IR 100 ℃하에 5초씩으로 일정하게 수행하였으며, 본 실험에 적용한 칼렌다로는 슈퍼칼렌다(제조사: SMT)를 사용하여 60℃에서 100kg/cm, 4m/min, 2회 통과시켰다.
(물성 측정법)
각 실시예 및 비교예에서 제조한 코팅지에 대하여 아래와 같은 방식으로 물성을 측정하고 하기표에 정리하였다.
1)괘선 터짐: 코팅지에 상용 마젠타 잉크 0.6cc를 인쇄한 다음 하룻동안 25 ℃, RH 50% 항온항습실에서 건조시켰다. 건조 후 인쇄된 코팅지를 압착기에서 12 kgf의 압력하에 기계방향(MD) 배향으로 접어서 터짐 현상을 발생시켰다. 터짐 정도의 측정은 우선 접힌 부분을 포함하는 일정 영역을 이미지 스캔 후 포토샵 프로그램을 이용하여 다음 식을 사용하여 계산하였다. 여기서 괘선 터짐 면적(fold cracked area)이 클수록 터짐 현상이 심한 것을 의미한다. 또한 SEM 사진을 촬영하여 육안으로도 관찰하였다.
Figure 112011038705784-pat00001
2)종이 강직도: Bending Resistance Tester(Gurley)를 사용하여 기계방향(MD) 배향으로 구부려 측정하였다. 수치가 높을수록 종이 강직도가 우수한 것이다.
3)접착력: RI 인쇄기에서 수회에 걸쳐 인쇄한 다음 뜯김 정도를 육안으로 판정하여 5점법으로 평가하였다. 점수가 높을수록 접착력이 양호함을 의미하며, 태크밸류 12,14,16의 잉크를 각각 사용하여 측정하고 평균치를 구하였다. 또한, SEM 사진을 촬영하여 육안으로도 관찰하였다.
4)종이 광택: Optical Gloss meter(HUNTER type, 75˚를 사용하여 코팅지의 여러 부분을 측정하고 평균치를 구하였다.
실시예 1 내지 7
본 발명에 따른 실시예로서 상술한 중합 방법과 코팅 방법으로 실험에 사용한 라텍스 종류, 전체 코팅층 두께 대비 제1/제2 코팅층의 각 두께비, 함량 등을 하기 표 2에 정리하고, 측정한 물성치는 하기 표 4에 함께 정리하였다.
실시예 No. 라텍스-1과 라텍스-2의 조합 제1/제2코팅층의 두께비 라텍스-1 함량
(중량%)		 라텍스-2 함량
(중량%)
1 A-C 0.5 9 13
2 A-C 0.8 9 13
3 A-C 0.5 5 13
4 A-C 0.5 9 17
5 A-D 0.5 9 13
6 B-C 0.5 9 13
7 B-D 0.5 9 13
비교예 1 내지 7
본 발명의 실시예에 대한 비교예로서 상술한 중합 방법과 코팅 방법으로 실험에 사용한 라텍스 종류, 두께비, 함량 등을 하기 표 3에 정리하고, 측정한 물성치는 하기 표 4에 함께 정리하였다. 비교예 7의 경우 라텍스 A와 C를 혼합한 라텍스를 동일한 두께의 단일 코팅층으로 적용하여 비교한 예이다.
비교예 No. 라텍스-1과 라텍스-2의 조합 제1/제2코팅층의 두께비 라텍스-1 함량
(중량%)		 라텍스-2 함량
(중량%)
1 A-C 1.5 9 13
2 C-A 0.5 9 13
3 C-A 1.5 5 13
4 E-F 0.5 9 17
5 A-A 0.5 9 13
6 C-C 0.5 9 13
7 A+C 혼합물로 적용 - 9 13
구분 괘선 터짐 면적(%) 종이 강직도(g) 접착력(5점법) 종이 광택(%)
실시예 1 12.7 78.5 4.5 71.8
실시예 2 20.5 81.2 4.3 72.4
실시예 3 19.6 82.8 4.0 72.2
실시예 4 9.3 74.0 4.7 69.5
실시예 5 9.5 70.2 4.7 68.7
실시예 6 22.1 74.1 4.2 71.4
실시예 7 17.1 78.2 4.5 68.9
비교예 1 38.5 85.9 3.5 72.2
비교예 2 51.1 86.5 3.5 73.7
비교예 3 43.0 62.8 4.5 73.7
비교예 4 35.4 60.0 4.6 68.8
비교예 5 72.6 88.2 3.0 74.0
비교예 6 24.0 54.4 4.8 68.2
비교예 7 49.5 80.3 4.0 72.7
상기의 결과로부터 본 발명에 따른 실시예 1 내지 7의 경우 우수한 종이 강직도를 유지하면서 괘선 터짐에 대한 저항을 높을 수 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 제1/제2 코팅층의 두께비가 1을 초과한 비교예 1과 라텍스를 실시예 1과 반대로 적용한 비교예 2의 경우에는 괘선 터짐 면적 및 접착력 측면에서 불량하였으며, 비교예 1과 2의 경우를 모두 반영한 비교예 3과, 라텍스 종류가 모두 적절하지 않은 비교예 4의 경우에는 괘선 터짐 면적 및 종이 강직도 측면에서 불량하였다.
또한, 동일한 라텍스로 2층을 구성한 비교예 5 혹은 6의 경우에는 괘선 터짐 면적이나 종이 강직도 중 어느 일 측면이 불량하였다. 또한, 유리전이온도와 입자크기가 상이한 2종의 스티렌-부타디엔 라텍스를 혼합하여 단일 코팅층을 형성한 비교예 7의 경우, 괘선 터짐 측면에서 불량한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따르면 종이 도공액 내 바인더의 조성 및 이로부터 형성된 코팅층의 두께비 등을 조절함으로써 최적의 종이 도공액을 제공할 수 있는 것이다.

Claims (16)

  1. 안료, 보조안료 및 스티렌-부타디엔 라텍스로 이루어진 종이 코팅용 도공액을 사용하여 코팅된 코팅지에 있어서,
    상기 코팅지는 상기 스티렌-부타디엔 라텍스로서 입자크기와 유리전이온도가 상이한 라텍스를 적용한 프리 코팅층과 탑 코팅층을 원지 상에 순차적으로 형성시킨 총 2층의 코팅 구조로 이루어지고,
    상기 2층의 코팅 구조는 원지에 프리 코팅층으로서 제1 코팅층을 도포하고 건조한 다음 탑 코팅층으로서 제2 코팅층을 도포하고 건조하여 형성되며,
    상기 제1 코팅층 대 제2 코팅층의 두께 비율은 0.1 내지 1.0이고, 상기 제1 코팅층과 제2 코팅층의 총 두께는 20 내지 60 ㎛인 것을 특징으로 하는 코팅지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코팅층은 입자 크기가 70 내지 120 nm이고 유리전이온도가 10 내지 30 ℃인 라텍스가 포함된 도공액을 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 코팅지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 코팅층은 입자 크기가 120 내지 200 nm이고 유리전이온도가 -30 내지 0 ℃인 라텍스가 포함된 도공액을 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 코팅지.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 도공액은 안료 및 보조안료 100 중량부를 기준으로 스티렌-부타디엔계 라텍스 5 내지 20 중량부와 증점제 0.1 내지 9 중량부를 배합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅지.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코팅층 내 라텍스 함량은 제1 코팅층 내 총 고형분을 기준으로 3 내지 15 중량% 범위 내인 것을 특징으로 하는 코팅지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 코팅층 내 라텍스 함량은 제2 코팅층 내 총 고형분을 기준으로 7 내지 20 중량% 범위 내인 것을 특징으로 하는 코팅지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 안료는 클레이, 탄산칼슘 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 코팅지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조안료는 플라스틱 안료, 티타늄 옥사이드 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 코팅지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스티렌-부타디엔계 라텍스는 스티렌계 단량체 29 내지 79 중량부, 부타디엔계 단량체 20 내지 70 중량부, 및 에틸렌성 불포화산 단량체 1 내지 10 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스티렌-부타디엔계 라텍스는 에틸렌성 불포화 니트릴 단량체 최대 20 중량부, 에틸렌성 불포화 단량체 최대 8 중량부 또는 이들의 혼합물을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅지.
  13. 입자 크기가 70 내지 120 nm이고 유리전이온도가 10 내지 30 ℃인 라텍스가 포함된 제1 도공액과 입자 크기가 120 내지 200 nm이고 유리전이온도가 -30 내지 0 ℃인 라텍스가 포함된 제2 도공액을 제조하는 단계;
    상기 제1 도공액을 원지 상에 코팅한 다음 건조시켜 프리 코팅층으로서 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 도공액을 상기 제1 코팅층 상에 코팅한 다음 건조시켜 탑 코팅층으로서 제2 코팅층을 완성하는 단계; 를 포함하여 이루어지며,
    이때 제1 코팅층과 제2 코팅층으로된 총 코팅층의 총 두께는 20 내지 60㎛ 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 코팅지의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 도공액 또는 제2 도공액은 안료 및 보조안료 100 중량부에 대하여 스티렌-부타디엔계 라텍스 5 내지 20 중량부 및 증점제 0.1 내지 9 중량부를 혼합하여 고형분 60 내지 75%, pH 8 내지 11을 만족하는 것을 사용함을 특징으로 하는 코팅지의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 원지는 평량 70 내지 350 g/m2 범위 내인 아트지용 원지, 아트보드지용 원지, 판지용 원지를 사용하는 것을 특징으로 하는 코팅지의 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅층은 카렌다 공법 상 슈퍼카렌다(super calendar), 또는 소프트닙 카렌다(soft-nip calendar)를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 코팅지의 제조 방법.
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