KR101260264B1 - 프라이밍 및 코팅 공정 - Google Patents

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미나 펠톨라
알리 하를린
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스토라 엔소 오와이제이
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Abstract

본 발명은 기재 (substrate)를 프라이머 소스 (primer source)로부터 공급되는 프라이머 (primer)와 접촉시키고 상기 기재 위에 상기 프라이머를 증착시켜 상기 기재를 프라이밍 (priming)하는 방법에 관한 것이다. 다른 프라이밍 방법에 비하여, 본 발명의 프라이밍 (priming)은 증착이 정전기적으로 수행되기 때문에 더 우수한 결과를 보인다.

Description

프라이밍 및 코팅 공정{Priming and coating process}
본 발명은 기재 (substrate)를 프라이머 소스 (primer source)로부터 공급되는 프라이머 (primer)와 접촉시키고 상기 기재 위에 상기 프라이머를 증착시켜 기재를 프라이밍 (priming)하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기재를 프라이머 소스로부터 공급되는 프라이머와 접촉시키고, 상기 프라이머를 상기 기재 위에 증착시키고, 프라임된 기재 (primed substrate)를 코팅 물질로 코팅하여 기재를 코팅하는 공정에 관한 것이다.
기재 및 이의 코팅 사이의 접착을 향상시키는 여러 가지 방법들이 있다. 이러한 방법들은 유리한 열역학적 수단의 제공 및 웨팅 (wetting)의 사용뿐만이 아니라 표면 처리, 기계적 조화 (mechanical roughening), 약한 경계층 (weak boundary layers) 제거, 스트레스 최소화 (minimising stresses), 접착 증진제 사용, 적합한 산-염기 상호 작용의 사용 등일 수 있다. 전형적인 처리 기술은 프라이머 및 용매 같은 화학 약품의 사용, 열 및 화염의 사용, 기계적 방법, 플라즈마, 코로나 처리 및 조사 (radiation) 등을 포함한다. 각각의 기술은 접착을 향상시키는 여러 결과를 가져올 수 있다.
기재 및 이의 코팅 사이의 접착을 향상시키는 한가지 중요한 방법은 프라이 밍 (priming)이다. 프라이밍은(priming) 기재를 프라이머 (primer)로 처리하는 것을 뜻한다. 프라이머는 페인트칠 되거나 또는 기타 마감처리될 표면에 도포되는 예비마감용 코팅을 뜻한다. McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 6판, 1668 내지 1669쪽을 참조하라.
전형적인 프라이머는 수용성 및/또는 유기 용매에 가용성인 접착성 유기 물질이며 기재 표면의 접착 또는 코팅과의 결합을 향상시키기 위해 기재 표면을 처리하는데 사용된다. 하기 표에서, 전형적인 프라이머들 및 이들의 접착성 및 성능의 특징들이 나타나있다.
전형적인 프라이머의 특성
접착 특성 성능 특성
프라이머 형태 종이 금속 플라스틱 필름 내열성 내습성 내약품성
Shellac 열등 뛰어남 열등 열등 열등 열등
유기 티타네이트 우수 우수 우수 적정 적정 적정
폴리우레탄 매우 우수 뛰어남 뛰어남 뛰어남 뛰어남 뛰어남
폴리에틸렌이민 매우 우수 우수 뛰어남 뛰어남 열등 열등
에틸렌 아크릴산 뛰어남 뛰어남 적정 적정 뛰어남 우수
폴리비닐리덴 클로라이드 뛰어남 적정 뛰어남 우수 매우 우수 적정
전통적인 프라이밍은 통상적인 용액 도포 기술에 의하여 생긴다. 프라이머 도포는 기재 및 코팅 사이의 화학 반응을 포함하여, 표면의 자유 에너지 (습윤성 (wettability))를 증가시키고, 결합을 약하게 하는 불순물을 이들로부터 제거함으로써 기재 및 코팅 사이의 접착을 증진시킨다.
그러나, 전통적인 프라이밍은 사용되는 특정 프라이머에 적합한 정확한 코팅 중량을 획득하는 것이 어렵다는 결점을 가진다. 균일한 증착은 모든 프라이머의 경우 중요하다. 이는 불균일한 표면을 갖는 경우에 특히 중요한데, 불균일한 표면의 보다 용이하지 않은 자리는 통상적인 프라이밍 기술로 잘 도달되지 않는다.
이제 이러한 결점은 기재를 프라이머 소스로부터 공급되는 프라이머와 접촉시키고 상기 기재 위에 상기 프라이머를 증착시켜 기재를 프라이밍하는 새로운 방법으로 극복되었다. 상기 방법은 증착이 정전기적으로 수행된다는 점에서 본질적인 특징이 있다. 증착 (deposition)은 기재에 임의의 물질을 도포하는 것을 뜻한다. 정전기적으로 (electrostatically)란 정지 상태에서 물체에 전기 전하 같은, 전기를 갖는 것을 뜻한다. McGraw-Hill, Dictionary of Scientific and Technical Terms, 6판, 707쪽을 참조하라.
정전기적 코팅 방법은 그 자체로 공지되어 있다. 그러나, 본 발명자들은 상기 방법이 프라이밍 목적에 특히 적합하다는 것을 발견하였다. 정전기적 코팅으로, 임의의 특정 종류의 프라이머에 적합한 정확한 코팅 중량이 쉽게 달성될 수 있다. 또한, 불균일한 기재 표면 위에 용이하지 않은 자리는 상기 정전기적 프라이밍 기술로 용이하게 접근할 수 있다. 따라서, 기재 표면의 더 많은 부분이 개선된 프라이머-유도 접착을 갖게 된다.
정전기적 코팅 방법은 하기 3 가지 방법으로 구분될 수 있다: AC 전계를 사용하는 분말로부터의 건식 코팅뿐만이 아니라, 전형적으로 DC 전계 하에서 용액으로부터의 정전기적 분무 (electrostatic spraying) 및 전기방사 (electrospinning).
상기 전기적 분무 공정에서, 액체 표면에 가해지는 고전압 전계는 대전된 미세 방울의 방출을 야기한다. 상기 공정은 질량, 전하 및 운동량 보존 (momentum conservation)에 의해 지배된다. 따라서, 상기 공정에 영향을 미치는 여러 파라미터가 있다. 가장 중요한 파라미터는 액체의 물리적 특성, 액체의 유속, 가해지는 전압, 시스템의 구조 (geometry), 및 주위 매질 (ambient medium)의 절연 내력 (dielectric strength) 등이다. 액체의 본질적인 물리적 특성은 액체의 전기 전도도, 표면 장력 및 점도이다. 전기 분무 장치는 일반적으로 코팅 액체를 공급하는 모세관, 압력 노즐, 회전 노즐 (rotating nozzle), 또는 분무기 및 코팅될 기재를 지지하는 플레이트 수집기 (plate collector)로 이루어진다. 전위차는 상기 모세관 및 상기 플레이트 사이에 형성된다.
상기 플레이트 및 코팅 액체를 공급하는 모세관 말단 사이의 전위차는 수천 볼트이며, 일반적으로는 수만 볼트이다. 방출된 방울들은 전하를 띠며 필요한 경우 다른 방법으로 중성화될 수 있다. 사용되는 조건에 따라, 이들의 크기는 다양하다. 프라이밍에 사용되는 가장 적합한 전기 분무 조건은 후술하기로 한다.
전기 분무 (electrospraying)처럼 전기방사는, 고-전압 전계를 사용한다. 고형화된 방울들을 형성하는 전기 분무와 달리, 고형 섬유 (solid fiber)는, 용융 폴리머 또는 폴리머 용액으로부터 형성되어 밀리미터 크기의 노즐을 통해 사출된다. 생성된 섬유는 접지된 또는 반대로 대전된 플레이트 위에 수집된다. 전기방사로, 섬유는 폴리머 블랜드만이 아니라 단독 폴리머로부터 제조될 수 있다.
전기방사는 극미세 연속 섬유를 제조하는데 사용될 수 있으며, 상기 섬유의 직경은 나노미터부터 수 마이크로미터 범위이다. 작은 직경은 작은 기공 크기, 높은 다공성 및 큰 표면적, 및 높은 직경 대 길이 비를 제공한다. 생성된 제품은 보통 부직포 (non-woven fabric) 형태이다. 이러한 작은 크기 및 부직포 형태 (non-woven form)는 전기방사된 섬유 (electrospun fibers)가 여러 응용 분야에 유용하도록 한다.
방사 공정에서 여러 파라미터들이 얻어진 생성된 섬유에 영향을 미친다. 이들 파라미터들은, 용액, 공정 및 주위 파라미터 (ambient parameter)인 3 개의 주된 형태로 분류될 수 있다. 용액 특성은 농도, 점도, 표면 장력, 전도도, 및 분자량, 분자량 분포 및 폴리머 구조 (architecture)등을 포함한다. 공정 파라미터는 전계 (electric field), 노즐에서 수집기까지의 거리, 및 주입 속도 등이다. 주위 특성은 온도, 습도 및 방사 챔버에서 공기 속도 등을 포함한다. 프라이밍을 위한 더욱 적합한 전기방사 조건은 후술하기로 한다.
건식 코팅은 원료가 분말 형태인 점을 제외하고 전기 분무 공정 및 전기방사 공정과 아주 유사하다. 최근 발명 중 한 발명은 상기 방법으로 종이를 코팅하는 것이다. 건식 코팅 방법에 의한 종이 코팅은 전통적인 안료 코팅의 대체 방법이다. 종이 및 판지의 이러한 건식 표면 처리 (dry surface treatment(DST))는 코팅 및 캘린더링 공정을 결합시킨 것이다. DST 공정에서, 전기적으로 대전된 분말 입자는 종이 또는 판지의 표면 위에 분무된다. 상기 입자는 종이의 표면 위에 층을 형성하고 정전기력에 의해 종이에 부착된다. 가열된 롤 사이의 닙 (nip)에 의한 최종 고정 (final fixing)은 접착력을 제공하며 표면을 평탄하게 한다.
다음으로, 본 발명의 가장 중요한 기술적 특징을 개시한다. 본 발명의 공정은 기재의 정전기적 프라이밍에 관한 것이다. 바람직하게는 프라임되는 기재는 나무, 종이 또는 복합체 같은 고형물이다. 기재의 바람직한 형태는 보통의 습식 제지 공정에 의해 제조되는 코팅되지 않은 또는 코팅된 300 g/m2 미만 등급을 포함하는 셀룰로오스 또는 나무이다. 가장 바람직하게는, 상기 고형물은 종이이다. 종이란 필수적인 부분으로서 셀룰로오스 섬유를 포함하는 임의의 펠트형 시트 (felted sheet) 또는 매트형 시트 (matted sheet)를 뜻한다.
여기서 "종이 또는 판지 기재"란 마감처리된 종이, 판지 또는 섬유보드 웹 (fibreboard web) 또는 시트의 전구체, 또는 롤, 튜브, 포장지, 상자, 접시, 호울더 (holder), 쟁반 (tray) 등과 같은 이들의 제품을 뜻한다. 그러한 기재에서 베이스는 셀룰로오스계 웹 (cellulosic web) 또는 셀룰로오스계 섬유 웹을 포함하는 베이스 층을 포함하며 이로써 상기 베이스 층에는 폴리머 코팅 같은 코팅이 제공될 수 있다. 또한 이러한 기재는 함침용 베이스 종이 또는 함침된 종이를 포함할 수 있는데 이 경우 최종 제품은 예를 들어 페놀계 수지, 멜라민 수지 및/또는 다른 폴리머가 함침된 시트 제품 및 이들의 최종 제품일 수 있다. 본 발명의 종이 또는 판지 기재는 함께 처리된 동일하거나 또는 다른 물질의 2 층 또는 여러 층 또는 시트로 형성될 수 있다.
상기 프라이밍에서 사용되는 정전기적 증착은 전기 분무의 바람직한 일 구현예에 따른 것이다. 상기 전기 분무에서, 바람직하게는 프라이머는 초기에는 기체상에 분산된 액체 방울 형태이다. 상기 방울은 용융 프라이머의 방울이거나, 또는 바람직하게는, 용매 중 프라이머 물질의 용액의 방울일 수 있다. 통상적으로, 액체 방울의 평균 직경은 0.02 내지 20 ㎛, 바람직하게는 0.05-2 ㎛이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 정전기적 증착에 의한 상기 프라이밍은 전기방사이다. 상기 전기방사에서, 프라이머의 적어도 일부는 기체상에 분산된 섬유 형태이다. 상기 섬유는 용융 프라이머으로부터 형성되거나 또는, 바람직하게는, 용매 중 프라이머 용액의 방울로부터 형성될 수 있다. 전기방사에 의해 프라이머 섬유를 형성하는 경우, 섬유의 평균 직경은 바람직하게는 0.05 내지 5.0 ㎛, 가장 바람직하게는 0.1 내지 0.5 ㎛이다.
상기 정전기적 프라이밍은 또한 전기 분무 (electrospraying) 및 전기방사 (electrospinning)의 혼합일 수 있으며, 이 경우 고형 방울 및 고형 섬유 모두는 기재 상에 형성된다.
용액으로부터 정전기적 증착 (분무, 방사, 또는 모두)을 사용하는 경우, 용액의 프라이머 물질의 함량은 바람직하게는 5 내지 50 중량%, 가장 바람직하게는 20 내지 45 중량%이다. 용액은 바람직하게는 40 내지 400 cP, 가장 바람직하게는 50 내지 200 cP이다. 용매는, 용액의 휘발성이 우수한 생산성을 위해 충분히 낮아야 하며 용액의 전도도는 정전기적 공정에 적합해야 한다는 것을 고려하여 도포되는 프라이머에 따라 선택되어야 한다. 바람직한 용매는 물 및 물/알코올 시스템이다.
본 발명의 일반적인 설명과 관련하여 상기 언급한 바와 같이, 상기 프라이머 물질은 천연 폴리머, 폴리알코올, 유기금속 화합물, 및/또는 합성 폴리머일 수 있다. 통상적으로, 상기 프라이머 물질은 합성 폴리머 (호모폴리머 또는 코폴리머)이다. 본 발명의 유리한 일 구현예에 따르면, 상기 합성 폴리머는 아크릴계 코폴리머로서, 가장 바람직하게는 수성 에멀젼 형태이다. 다음으로, 증착된 물질의 두께는 통상적으로 0.002-0.05 g/m2, 바람직하게는 0.006-0.02 g/m2, 및 가장 바람직하게는 약 0.01 g/m2이다. 본 발명의 다른 유리한 구현예에 따르면, 상기 프라이머는 디에탄올 아미노에탄 (diethanol aminoethane) (DEAE)이며, 바람직하게는 수성 매질에 녹아 있다. 다음으로, 증착된 물질의 바람직한 두께는 0.02-0.5 g/m2, 더욱 바람직하게는 0.06-0.2 g/m2, 및 가장 바람직하게는 약 0.1 g/m2이다.
가장 바람직하게는, 프라이머 용액은 기재 상의 프라이머 입자의 모폴로지를 개질하기 위한 첨가제를 또한 포함할 수 있다. 바람직한 첨가제는 용매에 녹을 수 있고 프라이머와 상용할 수 있는 폴리머로서, 공정을 안정화시키는 충분히 큰 분자량을 갖는다. 바람직하게는, 상기 폴리머계 첨가제는 또한 정전기적 공정에 적합해야 한다. 상기 정전기적 공정에서 첨가제로서 적합한 폴리머의 예는 무엇보다도 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 옥사이드, 및 아크릴계 수지이다.
본 발명의 정전기적 프라이밍은 바람직하게는 전기 분무 또는 전기방사에 적합한 장치로 수행된다. 이는 간섭 (interference)이 최소화된 흄 챔버 (fume chamber)로 이루어지며, 여기에는 기재를 지지하기 위한 금속 플레이트를 포함하는 구조물 및 공급부 (feed section)가 배치되어 있다. 전압 소스는 금속 플레이트 및 공급부와 연결되어 있다. 전압을 기재 및 제 2전원에 세워진 (raised to the second power) 프라이머 소스 사이의 거리로 나눈 것으로 표현되는 정전기력은 본 발명의 일 구현예에 따르면 0.02 내지 4.0 V/mm2, 바람직하게는 0.2 내지 0.5 V/mm2이다. 정전기적 전압은 바람직하게는 10 내지 50 kV, 더욱 바람직하게는 20 내지 40 kV이며, 프라이머 소스 및 기재 사이의 거리는 바람직하게는 100 내지 1000 mm, 더욱 바람직하게는 200 내지 500 mm이다.
기재를 정전기적으로 프라이밍하는 상기 언급한 방법에 덧붙여, 본 발명은 또한 기재를 프라이머 소스로부터 공급되는 프라이머와 접촉시키고, 상기 기재 상에 상기 프라이머를 증착시키고, 상기 프라임된 기재를 코팅 물질로 코팅함으로써 기재를 코팅하는 공정에 관한 것이다. 기재 상에 프라이머의 상기 증착은 정전기적으로 수행된다.
따라서 상기 코팅 공정은, 코팅 공정이 즉시 또는 추후 뒤따르는 정전기적 프라이밍을 포함한다. 프라이밍 단계에 대해서는, 상기 언급한 바와 같이 상세한 설명의 동일한 부분이 적용되므로 여기서 반복할 필요는 없다. 그러나, 프라이밍에서 코팅으로 옮겨갈 때, 프라임된 기재가 코팅 물질로 코팅되기 전에 바람직하게는 화염처리 또는, 가장 바람직하게는, 코로나 처리된다.
통상적으로, 상기 코팅 물질은 열가소성 수지이다. 가장 유리한 기재는 종이였으므로, 바람직한 조합은 종이를 상기 열가소성 수지로 코팅하는 것이다. 최상의 열가소성 수지는 에틸렌 폴리머 (호모폴리머 또는 코폴리머)같은 폴리올레핀 (polyolefin) 수지이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기방사 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1에 따른 전기방사 장치의 공급부를 나타낸다.
도 3은 도 1에 따른 전기방사 장치의 공급부 및 수집기 플레이트 (collector plate)를 나타낸다.
도 4는 P1으로 코팅된 종이를 3500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 4a는 0.1 g/m2 코팅 중량이고, 도 4b는 0.01 g/m2 코팅 중량이다.
도 5는 P2로 코팅된 종이를 750배 확대한 SEM 사진으로서, 도 5a는 0.1 g/m2 코팅 중량이고, 도 5b는 0.01 g/m2 코팅 중량이다.
도 6은 P3로 코팅된 종이를 750배 확대한 SEM 사진으로서, 도 6a은 0.1 g/m2코팅 중량이고, 도 6b는 0.01 g/m2코팅 중량이다.
도 7은 P5로 코팅된 종이를 1500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 7a는 0.1 g/m2코팅 중량이고, 도 7b는 0.01 g/m2코팅 중량이다.
도 8은 P6으로 코팅된 종이를 1500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 8a는 0.1 g/m2코팅 중량이고, 도 8b는 0.01 g/m2코팅 중량이다.
도 9는 P7로 코팅된 종이를 3500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 9a는 0.1 g/m2코팅 중량이고, 도 9b는 0.01 g/m2코팅 중량이다.
도 10은 P11로 코팅된 종이를 3500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 10a는 0.1 g/m2코팅 중량이고, 도 10b는 0.01 g/m2코팅 중량이다.
도 11은 P12로 코팅된 종이를 1500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 11a는 0.1 g/m2 코팅 중량이고, 도 11b는 0.01 g/m2 코팅 중량이다.
도 12는 P13으로 코팅된 종이를 1500배 확대한 SEM 사진으로서, 도 12a는 0.1 g/m2 코팅 중량이고, 도 12b는 0.01 g/m2 코팅 중량이다.
도 13은 박리 테스트 (peel test)후 PE-필름 코팅을 나타내며, 코로나 처리된 P1-P13.
도 14는 박리 테스트 후 P3를 갖는 판지를 나타낸다. 도 14a는 코로나 처리하지 않은 것이고 도 14b는 코로나 처리를 한 것이다.
도 15는 박리 테스트 후 P5를 갖는 판지를 나타낸다. 도 15a는 코로나 처리하지 않은 것이고 도 15b는 코로나 처리를 한 것이다.
도 16은 박리 테스트 후 P6을 갖는 판지를 나타내며 코로나 처리를 한 것이다. 1500배 확대하였다.
도 17은 박리 테스트 후 P7를 갖는 판지를 나타내며 코로나 처리하지 않았다. 1500배 확대하였다.
도 18은 박리 테스트 후 SEM 사진으로서 코로나 처리하지 않은 것인데; 도 18a는 P11를 갖는 판지로서, 3500배 확대한 것이고; 도 18b는 P12를 갖는 판지로서, 1500배 확대한 것이고; 및 도 18c는 P13을 갖는 판지로서, 1500배 확대한 것이다.
도 19는 박리 테스트 후 PE-film 코팅을 나타내는 것으로서 코로나 처리하지 않은 것이다, P1-P13.
이하, 몇 가지 실시예에 의하여 본 발명을 예시하는데, 이의 절차는 아래에 더욱 상세히 설명한다.
실시예
실험
본 실험에서, 도 1에 도시된 바와 같은 전기방사 장치로 프라이밍을 했다. 상기 장치는 흄 챔버를 포함하는데, 챔버의 벽은, 전면 벽을 제외하고는, 외부 및 내부의 전기적 간섭 (electrical interference)을 최소화하기 위해 금속 플레이트로 축조되었다. 내벽 표면은 유리 섬유 복합체로 덮여 있다. 사용된 전력 공급 장치는 BP 50 Simco 타입의 고전압 공급 장치였다. 상기 전력 공급 장치는 양 및 음의 0-50 kV 전압 모두를 생산할 수 있다.
상기 장치는 또한 출사 돌기 (spinneret) 및 바늘을 갖는 공급부를 포함한 다. 바늘은 유리로 제조된 출사 돌기에 루어 정션(luer junction)으로 연결되어 있으며 전력 공급 장치는 바늘의 금속성 정션 (metallic junction)에 연결되어 있다. 상기 공급부를 도 2에 나타내었다.
공급부의 상대 전극으로서 직사각형의 구리 플레이트가 배열되었는데, 상기 플레이트의 크기는 400 mm x 400 mm x 1 mm였다. 기재를 지지하는 상기 수집기 플레이트는 플라스틱 스탠드에 걸려 있다. 수집기 플레이트 및 공급부를 도 3에 나타내었다. 수집기 플레이트의 전면에 코팅될 기재를 부착시켰다. 상기 기재는, 예를 들어, 금속 폴리오 (metal folio) 또는 종이일 수 있다. 수행된 실험에서, 기재는 화학 펄프의 CTM 이온-코팅된 225 g/m2 등급의 나무가 없는 판(wood free board)의 종이였다.
예비 테스트로 적합한 프라이머를 선택하였다. 다음, P1-P13로 이름붙인 이들 프라이머에 대하여, 용액 점도 (Brookfield DV-II+), 모폴로지 (JEOL SEM T-100), 표면 에너지 (PISARA-장치), 및 접착력 (Alwetron 박리 테스트) 테스트하였다. 접착력에 대한 프라임된 종이 기재의 코로나 처리의 영향을 또한 알아보았다.
13 개의 프라이머, 즉 P1-P13를 테스트하였다. 기호 P1-P13은 다음을 뜻한다:
P1 -> 카르복실 메틸 셀룰로오스
P2 -> 알킬 케텐 다이머
P3 -> 폴리에틸렌 아민
P4 -> 폴리비닐 아민
P5 -> 폴리비닐 알코올
P6 -> 유화된 아크릴계 코폴리머
P7 -> 에틸렌 코폴리머
P11 -> 에틸렌 그룹으로 개질된 폴리비닐 알코올
P12 -> 디에탄올 아미노에탄 (DEAE)
P13 -> MSA/C20 - C24 -올레핀
B -> C20-C24 올레핀
C -> 에틸렌 코폴리머
E - > 폴리비닐 아민
G -> 폴리비닐 아세톤
H -> 디에탄올 아미노에탄 (DEAE)
I -> 카르보닐 메틸 셀룰로오스
결과는 다음과 같다.
결과 및 검토
전기 분무 또는 전기방사에 대한 프라이머의 적합성
프라이머의 적당한 용액 함량 및 공정 파라미터를 실험으로 발견하였다. 각각의 프라이머의 여러 가지 용액 함량을 테스트하였다. 모든 프라이머는 18 G 크기의 5 cm 긴 바늘을 통해 분무되거나 또는 방사되었다.
용액을 분무/방사하는데 특히 프라이머 P5, P6 및 P11는 모폴로지 개질 첨가제 사용없이 적합했다. 프라이머 P1, P2, P3, P7, P12, 및 P13 또한 특히 적합했으나, 이들은 첨가제를 필요로 하였다. 이들은 첨가제 없이는 큰 방울을 형성하였고, 코팅된 면적은 매우 작았다. 첨가제를 첨가하면, 코팅된 면적은 아주 커졌고 방울 크기는 감소하였다.
전기 분무 또는 전기방사의 생산성
각각의 프라이머의 생산성을 표 2에 나타내었다. 도포 속도를 계산하기 위해 사용되는 다른 특성이 상기 표에 또한 나타나 있는데, 즉 용액의 비중량 (specific weight), 용액의 프라이머 함량, 및 프라이머 소모량 등이 나타나 있다. 또한 건식 코팅 중량 0,1 g/m2 및 0,01 g/m2에 대해 필요한 프라이밍 시간을 상기 표에 나타내었다.
Figure 112007068478464-pct00001
소모 테스트 (consumption test) 동안, 용액 또는 공정에 어떤 변화를 가하지 않는 경우 어떤 프라이머가 연속적인 프라이밍에 적합하고 어떤 프라이머가 적합하지 않은지를 알기는 용이하였다. 프라이머 P2, P3, P6, 및 P13는 바늘 말단부에서 겔화되었기 때문에 연속 프라이밍에 적합하지 않았다. 대신, 프라이머 P1 , P5, P7, P11, 및 P12는 연속 프라이밍에 적합했다.
요구되는 프라이밍 시간만이 평가되었다. 생산성 측정에서, 모든 프라이머는 바늘에서 수집기 플레이트로 운반되는 것으로 가정하였다. 그러나, 실제로는 어떤 입자는 플레이트를 넘어갔고 어떤 큰 방울은 플레이트까지 운반되지 못했다. 소모 측정 (consumption measurement)에서, 공정은 처음에는 빨랐으나 용액 레벨 (solution level) 및 바늘에서의 압력이 시간이 경과함에 따라 감소했기 때문에 이후 더 느려졌다. 따라서 소모값은 평균값이다. 코팅 면적은 육안으로 확인하였기 때문에, 이것 또한 대략적인 값이다.
프라이머 용액의 점도 및 프라임된 판지의 모폴로지
사용한 프라이머 용액의 점도는 Brookfield 점도였다. 증착된 프라이머 입자의 모폴로지는 SEM 사진 분석으로 평가되었다. 본 실시예에서의 SEM-사진은 무작위로 찍은 것이다. 점도 및 모폴로지 외에, 본 실시예는 전압 및 기재와 주입 모세관 사이의 작동 거리 같은 추가적인 공정 파라미터를 보여준다.
다음과 같이, 각각의 시료는 개별적으로 처리되었다.
프라이머 P1
용액의 점도는 370 cP였다. 점도가 높았음에도 불구하고, 프라이머 P1은 섬유를 형성하지 않고, 방울을 형성하였다. 방울 크기는 0,1-0,3 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 각각 ± 35 kV 및 350 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 25 cm였다. P1의 층의 SEM 사진을 도 4에 나타내었다.
프라이머 P2
용액의 점도는 170 cP였다. 역시, 점도가 충분히 높았음에도 불구하고, 프라이머는 섬유를 형성하지 않았고, 방울을 형성하였다. 방울 크기는 0,5-6 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 각각 ± 30 kV 및 450 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 25 cm였다. P2의 층의 SEM 사진을 도 5에 나타내었다.
프라이머 P3
용액의 점도는 215 cP였다. 역시, 점도가 충분히 높았음에도 불구하고, 프라이머는 섬유 대신에 방울을 형성하였다. 방울은 매우 컸고 또한 크기 분포는 넓었다. 방울의 크기는 1,2-17 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 각각 ± 50 kV 및 350 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 20 cm였다. P3의 층의 SEM 사진을 도 6에 나타내었다.
프라이머 P5
용액의 점도는 193 cP였다. 역시, 점도가 충분히 높았음에도 불구하고, 프라이머는 섬유를 형성하지 않고, 방울을 형성하였다. 방울 크기는 0,2-1,5 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 ± 40 kV 및 400 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 25 cm였다. P5의 층을 도 7에 나타내었다.
프라이머 P6
용액의 점도는 매우 낮았다: 90 cP, 따라서 용액은 방울을 형성하였다. 방울 크기는 0,2-5 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 각각 ± 30 kV 및 300 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 35 cm였다. P6의 층을 도 8에 나타내었다.
프라이머 P7
용액의 점도는 60 cP였다. 점도가 낮았음에도 불구하고, 프라이머는 방울 이외에 또한 섬유를 형성하였다. 섬유 형성은 첨가제 사용으로 야기되는 것 같다. 섬유 직경은 대략 0,1 ㎛였고 방울 크기는 0,5-6 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 각각 ± 30 kV 및 400 mm였다. 프라이머-코팅된 면적은 매우 넓었다. 프라이머는 수집기 플레이트 전면적을 코팅하였다. P7의 층을 도 9에 나타내었다.
프라이머 P11
용액의 점도는 110 cP였다. 프라이머 11은 약간의 펄(pearls)을 포함해 가는 섬유만을 형성하였다. 섬유 직경은 0,4-0,1 ㎛였고 펄 크기는 0,8-1,4 ㎛였다. 전압 및 작동 거리는 각각 ± 40 kV 및 400 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 24 cm였다. P11의 층을 도 11에 나타내었다.
프라이머 P12
용액의 점도는 60 cP였다. 점도가 낮았음에도 불구하고, 프라이머는 방울 이외에 또한 섬유를 형성하였다. 섬유 형성은 첨가제 사용으로 야기된 것 같다. 방울 크기는 0,5-3 ㎛였고 섬유 직경은 0,1- 0,4 ㎛였다. 전압 및 작동 거리는 각각 ± 20 kV 및 300 mm였고, 전계 방향은 음의 포텐셜에서 양의 포텐셜 방향이었다. 코팅된 면적의 직경은 33 cm였다. P12의 층을 도 12에 나타내었다.
프라이머 P13
용액의 점도는 310 cP였다. 점도가 충분히 컸음에도 불구하고, 프라이머는 섬유 대신에 방울을 형성하였다. 방울 크기는 0,2-2,5 ㎛였고, 전압 및 작동 거리는 각각 ± 30 kV 및 250 mm였고, 코팅된 면적의 직경은 18 cm였다. P13의 층을 도 13에 나타내었다.
표면 에너지
프라이머의 임계 표면 에너지를 표 3에 나타내었다. 이들의 표면 에너지를 판지의 표면 에너지와 비교하였다. 모든 프라이머의 표면 에너지값은 판지의 표면 에너지보다 작았다. 표에서 시료 K는 예비 테스트에 사용된 판지 및 P1-P13 프라이머를 뜻한다.
Figure 112007068478464-pct00002
프라임된 판지의 임계 표면 에너지를 표 4에 나타내었다. 프라임된 판지의 임계 표면 에너지 값은 판지 자체의 표면 에너지 값보다 작았다. 표면 에너지 값을 기하 평균 (geometric mean)으로 표 11에 나타내었다.
Figure 112007068478464-pct00003
표면 에너지 측정은 3가지 액체로 하였으며, 이는 최소 집계이다(minimum count).
프라이머의 접착력 및 프라이밍 방법
접착력은 종이를 종래 방법으로(프라이머 B-I) 프라이밍하고 본 발명에 따라(프라이머 P1-P13) 프라이밍하고, LDPE로 사출 코팅하여, 최종적으로 LDPE 및 종이 사이의 접착력을 측정함으로써 평가하였다. 통상적인 전개 (spreading)로 판지에 프라임된 프라이머 B-I는, 화학적으로 프라이머 P1-P13과 각각 유사하다. 전개로 프라이밍한 경우, 얻어진 프라이밍 중량은 정전기적 방법에 비하여 더 많았다(>> 0,1 g/m2).
전개로 프라임된 프라이머 B-I의 접착 측정 결과를 표 5에 나타내었다. 전개 (spreading)로 도포된 프라이머 B-I는 접착력을 매우 향상시키지는 않았다. 코로나 처리없이 사출 코팅한 경우, 프라이머 H만이 접착력이 향상되었다.
Figure 112007068478464-pct00004
표 6에는 시료의 접착력을 나타냈는데, 시료의 프라이밍 중량은 0,1 g/m2 및 0,01 g/m2였다. 정전기적 코팅 방법으로 프라이밍하였다. 프라이머 P1-P13는 접착력 향상을 위해 코로나 처리를 필요로 하였다. 코로나 처리를 하지 않은 경우, 접착력은 거의 모든 프라이머에서 0이었다. 특히 코팅 중량 0,01 g/m2의 프라이머 P1, P6, P11, 및 P13, 및 특히 코팅 중량 0,1 g/m2의 P12는 접착력을 상당히 향상시켰다. 또한 코팅 중량 0,01 g/m2의 프라이머 P7 및 코팅 중량 0,1 g/m2의 프라이머 P2는 우수한 접착 프로모터 (promoter)였다.
Figure 112007068478464-pct00005
표 5 및 6에서 대조구(ref)는 코로나 처리된 PE 코팅된 판지였고, 프라이머는 사용하지 않았다.
각각의 프라이머는 최대 접착력을 가져다주는 고유의 코팅 중량을 가졌다.
코로나 처리를 사출 코팅과 함께 사용한 경우, 프라이머는 판지 및 PE-필름에 부착되었다. 이는 도 14에 나타나 있다. 상기 사진은 PE-필름의 요오드 염색된 표면상에 박리 테스트를 한 후 찍은 것이다. 프라이밍 중량 0,1 g/m2의 프라이머 P3 및 P6만이 PE-필름에 부분적으로 부착되었다.
사출 코팅에서 코로나 처리를 사용하지 않은 경우, 프라이머는 PE-필름에 부착되지 않기 때문에, 프라이머는 접착력을 향상시키지 않았다. 도 15는 박리 테스트 후 PE-필름을 보여준다. 화학적 펄프의 일부가 PE의 표면에 붙어있었으나, 대부분 코로나 처리 없이는 PE에 부착되어 있지 않았다.
다음 도면에서 박리 테스트 후 SEM-사진을 나타내었다. 상기 SEM-사진들은 판지 측면에서 찍은 것이다. 그래서, 프라이밍 후 찍은 SEM-사진과 비교할 때, 상기 사진은 사출 코팅 후 모폴로지 변화를 보여준다.
사출 코팅과 함께 코로나 처리를 사용하지 않은 경우 P3의 모폴로지는 변하지 않았다. 코로나 처리를 사용한 경우, 프라이머는 판지의 표면상에 전개되었다. 도 16b에서 사진은 PE-필름에 접착되지 않은 부분을 찍은 것이다. P3로 프라임된 판지가 PE-필름에 접착된 부분은 도 14 같이 보인다.
프라이머 P5를 갖는 판지는 또한 PE-필름에 부분적으로 부착되어 있었다. 도 17b의 사진은 판지가 PE에 접착되지 않은 부분을 찍은 것이다. 프라이머 P5의 모폴로지는 코로나 처리했음에도 불구하고 사출 코팅 동안 심하게 변하지는 않았다.
코로나 처리를 한 경우 프라임된 P6의 모폴로지는 사출 코팅 동안 변했다. P6는 판지의 표면 위에 전개되었다. 도 18은 PE에 접착이 없는 부분을 찍은 것이다. P6를 갖는 판지는 PE에 잘 붙지 않기 때문에 프라이밍 중량 0,1 g/m2은 과할 수 있다.
사출 코팅에서 P7의 모폴로지는 심하게 변했다. 섬유는 판지의 표면에 접착되었고, 약간 전개되었으며, 흡수된 것 같다(도 19). 대신 P8의 모폴로지는 사출 코팅 동안 심하게 변하지는 않았다(도 20).
P11, P12, 및 P13의 모폴로지는 압출 공정 동안 심하게 변했다 (도 21). 이들 모든 프라이머는 판지의 표면에 접착되었으며, 프라이머는 전개되었고 판지의 표면에 흡수된 것 같다.
압출 공정 동안 모폴로지 변화는 프라이머에 의존한다. 박리 테스트에서 이미 증명된, 프라이머와 관련된 주제는 압출 공정에서 코로나 처리는 접착을 매우 향상시킨다는 것이다.
결론
상기 실시예는 정전기적 코팅 방법이 프라이밍에 적합하다는 것을 입증한다. 전개 (spreading)에 의한 통상적인 프라이밍과 비교하여 접착의 향상이 달성된다. 낮은 프라이밍 중량이 심지어 높은 프라이밍 중량보다 더 우수한 접착력을 제공한다. 그러나, 프라이머는 종이를 폴리에틸렌으로 코팅하는 경우, 바람직하게는 사출 코팅에서 코로나처리되어야 한다. 접착 결과는 모든 프라이머가 최대 접착력을 제공하는 특정 프라이밍 중량을 갖는다는 것을 보여준다.
표면 에너지 값 및 접착의 상관 관계를 표 7-9에 나타내었다. 상기 표로부터 낮은 극성이 접착을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
Figure 112007068478464-pct00006
Figure 112007068478464-pct00007
Figure 112007068478464-pct00008
표 10에는 각각의 프라이머 층의 입자 크기 분포를 나타내었다. 상기 사항을 기초로 할 때, 입자 크기는 접착에 영향을 미친다. 그래서, 프라이머 P12는 뛰어난 접착 특성을 보이는데, 이는 낮은 비례 극성 (low proportional polarity) 및 작은 입자 크기를 갖기 때문이다. 입자 크기의 영향은 더 작은 입자가 판지의 표면 위에 단위 면적당 더 많은 접착점 (adhesive spots)을 형성한다는 사실에 근거하는 것 같다.
Figure 112007068478464-pct00009
프라이머 극성 및 입자 크기에 덧붙여, 접착 특성은 또한 프라이밍 중량이 다른 경우 변했다. 어떤 프라이머는 프라이밍 중량 0,1 g/m2인 경우 보다 프라이밍 중량 0,01 g/m2 인 경우 접착이 더욱 향상되었으나, 다른 것은 프라이밍 중량 0,1 g/m2인 경우 접착이 더욱 향상되었다.
Figure 112007068478464-pct00010
전통적인 프라이밍은 통상적인 용액 도포 기술로 일어난다. 프라이머 도포는 기재 및 코팅 사이의 화학 반응을 포함하여, 표면의 자유 에너지 (습윤성 (wettability))를 증가시키고, 결합을 약하게 하는 불순물을 이들로부터 제거함으로써 기재 및 코팅 사이의 접착을 증진시킨다. 그러나, 전통적인 프라이밍은 사용되는 특정 프라이머에 적합한 정확한 코팅 중량을 획득하는 것이 어렵다는 결점을 가진다. 균일한 증착은 모든 프라이머의 경우 중요하다. 이는 특히 불균일한 표면을 갖는 경우인데, 불균일한 표면의 보다 용이하지 않은 자리는 통상적인 프라이밍 기술로 잘 도달되지 않는다. 이제 이러한 결점은 기재를 프라이머 소스로부터 공급되는 프라이머와 접촉시키고 상기 기재 위에 상기 프라이머를 증착시켜 기재를 프라이밍하는 새로운 방법으로 극복되었다.

Claims (45)

  1. 종이 또는 판지 기재를 프라이머 소스 (primer source)로부터 공급되는 프라이머와 접촉시키고 상기 기재 위에 상기 프라이머를 증착시켜 상기 기재를 프라이밍(priming)하는 방법으로서, 상기 방법이 0.05 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유를 형성하는 전기방사(electrospinning)에 의한 상기 프라이머의 정전기적 증착을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프라이머의 적어도 한 부분이 기체상에 분산된 섬유 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 섬유가 용매 또는 에멀젼 매질 중 상기 프라이머 물질의 용액 또는 에멀젼으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 섬유의 평균 직경이 0.05 내지 1.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 용액의 상기 프라이머 물질 함량이 5 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 용액의 점도가 40 내지 400 cP인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 용매가 수성 용매 시스템으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프라이머 물질이 천연 폴리머, 폴리알코올, 유기금속 화합물, 및 합성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 프라이머 물질이 합성 폴리머 (호모폴리머 또는 코폴리머)인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 합성 폴리머는 아크릴계 코폴리머인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 아크릴계 폴리머가 상기 기재 위에 0.002-0.05 g/m2의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 프라이머가 디에탄올 아미노에탄 (DEAE)인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 디에탄올 아미노에탄 (DEAE)이 상기 기재 위에 0.02-0.5 g/m2의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 프라이머가 상기 기재 위의 프라이머 입자의 모폴로지를 개질하기 위한 첨가제를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 첨가제가 가용성 폴리머인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 전압을 기재 및 제 2전원 (second power)에 세워진 프라이머 소스 사이의 거리로 나눈 것으로 표현되는 정전기력이 0.02 내지 4.0 V/mm2 인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 정전기적 전압이 10 내지 50 kV이고, 상기 프라이머 소스와 상기 기재 사이의 거리는 100 내지 1000 mm인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 기재가 프라임된 후에, 상기 프라임된 기재가 코팅 물질로 코팅되기 전에 화염 또는 코로나 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 프라임된 기재가 코팅 물질로 코팅되기 전에 코로나 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
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