KR101299161B1

KR101299161B1 - 포장용 수분 흡착 필름

Info

Publication number: KR101299161B1
Application number: KR1020120147446A
Authority: KR
Inventors: 이윤석; 최홍렬; 이승곤
Original assignee: 주식회사 보스팩; 연세대학교 원주산학협력단
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-08-21
Also published as: KR20130009723A

Abstract

본 발명은 폴리에틸렌계 수지 및 수분흡착제로 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, Polyacrylic acid partial sodium salt) 또는 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA, Attapulgite synthesized Acrylic amide)를 포함하여 이루어지는 수분 흡착 필름용 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 수분 흡착력 및 물성이 우수한 수분 흡착 필름을 제조할 수 있다. 일반적으로 수출용 화훼의 경우 화훼의 색보존을 위해 실리카겔 및 흡습지를 이용하여 수출을 진행하는데, 이것을 취급 편리하고 흡습 효과성이 높은 본 발명의 수분 흡착 필름으로 대처하여 제품의 품질보존 효과를 높일 수 있으며, 특히 수분에 민감한 건조식품 즉, 분말 입자 형태의 밀가루, 튀김가루, 건어물 등에 적용 가능할 뿐만 아니라 기계 부속품 또는 고철류 보관 시 제습포장에 적용이 가능하여 이들 제품의 보존 효과를 높일 수 있다. 또한 제품의 저장 및 보관 창고 내부에 제습을 위한 포장재로의 활용도 가능하다.

Description

포장용 수분 흡착 필름{Moisture absorbing film}

본 발명은 포장용 수분 흡착 필름에 관한 것으로, 구체적으로 폴리에틸렌계 수지 및 수분흡착제로 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, Polyacrylic acid partial sodium salt) 또는 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA, Attapulgite synthesized Acrylic amide)를 포함하여 이루어지는 수분 흡착 필름용 수지 조성물에 관한 것이다.

최근 현대 산업의 발전에 따라, 각종 제품의 다양화와 상품성이 중요시 되고 있으며, 제품의 생산, 저장, 유통 및 판매를 위한 포장에 있어서, 취급 편리성 및 품질 보존 등에 대한 소비자의 요구가 점차 증가하고 있다.

따라서 포장재 산업 분야에서는 이러한 사회 환경에 발맞추어, 기존 포장의 단순 제품보호 및 품질보존의 수동적인 목적에서 벗어나, 제품의 특성에 따라 적극적으로 포장 제품에 능동적 효과를 제공하려고 하며, 포장재에 기능성 요인을 부여하여 상품성을 증대시키는 연구 노력을 활발히 진행하고 있다.

오늘날 다양한 식품, 의약품, 전자 및 생활용품에서의 포장재로, 가볍고 우수한 가스 차단성, 투명성의 물성 특징, 다른 포장 소재에 비해 상대적으로 저렴한 비용 등으로 인해 플라스틱 포장재의 개발이 많이 이루어지고 있다.

최근 연구되고 있는 기능성 포장재는 대부분 제품 품질개선을 위한 활성물질을 포장재에 함침 및 코팅하여 제조되고 있는데, 이는 포장 직후부터 지속적으로 대상 제품에 최대의 효과성을 부여하기 위한 것이다. 그 예로 수분 및 가스 차단성을 높이는 나노 필름, 제품의 미생물 성장을 억제시키는 제올라이트를 함유한 필름, 에너지를 방사하는 원적외선 방사 필름, 이취를 흡착하는 필름, 산소 및 이취 가스를 흡착하는 필름 등의 개발이 시도되고 있다.

특히 수분에 민감한 식품의 경우, 포장 내부를 건조한 상태로 유지시킬 필요가 있는데, 이는 수분 활성도가 제품의 물성 변화, 산패 발생, 영양적 손실, 관능적 가치 저하 및 미생물 성장을 통한 부패 발생, 그리고 전자 제품에서는 금속 표면의 산화 부식 유도 등으로 포장된 제품의 품질을 떨어지게 하는 중요한 원인이 되기 때문이다. 일반적으로 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 식품의 경우 열풍 건조 전처리, 건조 가스 치환 포장, 차단성이 있는 진공 포장, 건조제를 포장재 내부에 별도로 첨가하는 방법 등으로 처리하고 있으나, 이러한 방법은 처리 공정의 불편함, 처리 비용 상승, 보존 기간의 증대에 따른 건조 지속성의 약화와 같은 문제점이 있다.

건조제는 물질속의 수분을 제거하여 건조시키기 위해 사용되는 물질로 수분과 반응하여 수분을 고착시키는 화학적 작용과 수분을 흡착 또는 흡수하는 물리적 작용으로 구분되어 물질의 수분을 제거한다. 화학적 작용으로 수분을 제거하는 대표적인 건조제로는 염화칼슘 또는 황산구리가 있으며, 이들은 수분을 결정수의 형태로 흡수한다. 물리적 작용으로 수분을 제거하는 건조제로는 실리카겔, 산화 알루미늄, 제올라이트 등이 있으며, 표면적이 넓어 여기에 다량의 수분을 수용할 수 있다.

이러한 건조제 중, 실리카겔은 SiO₂ 화학 성분인 광물질이며, 알갱이 형태로 존재한다. 건조제로 사용되는 실리카겔의 흡수공 평균 크기는 24Å으로, 수분분자와 친화력이 강하다. 220℉(105℃)까지 수분을 끌어당기는 성질이 있으며, 70℉ ~ 90℉, 60 ~ 90%RH에서 건조제의 기능을 최대한 발효하고, 40%RH까지 물분자를 흡수한다. 미국 FDA에서 식품과 의약품에 직접 접촉 가능한 건조제 물질로 유일하게 승인된 물질이다.

실리카겔이 흡수할 수 있는 물질은 수분 이외에도 여러 유기 화학물질이 있으며, 흡수 공의 크기도 다양하다. 실리카겔의 흡수 가능한 물질과 흡수력의 순서는 물(water), 암모니아(ammonia), 알코올(alcohols), 방향족(aromatics), 디올레핀(diolefins), 올레핀(olefins), 파라핀(paraffins) 순이다.

다른 건조제로 몰리큘러시브(molecular sieve)가 있는데, 이는 수분 친화력이 강한 합성 건조제인 다공성의 알루미노실리케이트(aluminosilicate)이다. 다른 건조제와 달리 흡수공의 크기가 격자구조로 일정하며, 이 흡수공의 크기는 조절이 가능하다. 일반적으로는 3Å,4Å,5Å,10Å의 흡수공 크기를 가진 물질을 사용한다.

몰리큘러시브는 수분은 흡수하지만, 휘발성 물질은 방출한다. 3Å의 경우 수분을 흡수하면서 다수의 탄화수소를 방출한다. 4Å의 경우는 3Å보다 흡수 능력이 우수하지만 보다 많은 부탄을 방출한다. 230℃(450℉)까지 수분을 함유할 수 있고, 실리카겔보다 수분 친화력이 좋기 때문에 10%RH 까지 유지 가능하다. FDA에서는 제품에 직접 사용하는 것을 승인하지 않았지만 유럽에서는 의약품에 사용된다. 가격은 비싸지만, 흡수력이 뛰어나 저습도 조건으로 유지해야할 경우에 주로 사용된다.

또 다른 건조제로, 몬모릴로나이트 진흙(Montmorillonite clay)은 서브-벤토나이트(sub-bentonite) 형태의 마그네슘 알루미늄 실리케이트(magnesium aluminum silicate)를 건조하여 만들어진다. 오염 및 팽창이 없을 경우, 저습도에서 사용된 것은 재생이 가능하다. 수분을 흡수한 후 재방출하는 역기능 효과가 있기도 하다. 120℉(50℃)이하에서 건조제의 기능을 수행하며, 이 온도 이상에서는 수분을 흡수하기 보다는 방출하는 특성을 나타낸다. 따라서 건조제로 사용 시, 저장 및 유통조건을 고려할 필요가 있다. 일반적으로 상온, 표준 상대습도에서는 건조제의 기능을 다한다. 회색의 색상을 가지는 입자로, 순도를 높여야 포장제품에 적용 시, 제품과의 반응을 최소화 할 수 있다.

산화칼슘(CaO)은 중량의 28.5%에 달하는 수분을 흡수할 수 있다. 건제물질 중에서 가장 좋은 흡수력을 가지고 있기 때문에 저습도 조건이 중요한 경우 사용한다. 산화칼슘은 느린 속도로 수분을 흡수하며, 수분을 흡수하면 팽창한다. 건조 냉동식품의 경우는 산화칼슘의 사용이 제한된다.

기존에는 이러한 CaO, 제올라이트, 실리카겔 등의 건조제를 티백 파우치(Tyvek pouch)에 넣어 밀봉하고, 이것을 제품에 투입하는 방법을 사용하였다. 건조제를 사용하는 기본 목적은 가공제품의 텍스쳐(texture) 유지와 미생물 생장억제이며, 과실의 경우 포장내부의 포화습도조건을 조절하여 과실에서부터 증산한 수증기로 인해 내면에 물방울이 맺히는 것을 예방하기 위함이다. 주로 사용하는 물질은 소금, 포화 염용액, 고흡수성 고분자이며, 육류나 어류에는 온도에 따라 발생하는 육즙의 흡수를 위한 고흡수성 고분자 시트(sheet)를 사용한다. 이 시트의 재료로는 주로 폴리아크릴레이트(polyacrylate)나 전분 그래프트(graft) 중합체를 이용한다. 그리고 이러한 육류, 어류를 감싸는 용도로 플라스틱 필름 사이에 수분 조절제를 넣은 것을 사용하는데, 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)로 밀봉된 폴리프로필렌 글리콜(Propylene glycol)을 이용하기도 한다. 또한 수송이나 보관 중에 금속/전기, 정밀 전자기기 부품 및 제품이 수분의 영향으로 부식되거나 녹이 스는 것을 막기 위한 용도로도 다양하게 적용이 가능하다.

이와 같이 기존의 식품, 의약품, 전자제품 등에 사용되는 건조제는 작은 파우치 형태로 제품과 포장 사이에 혼입되어 사용되기 때문에, 건조제 파우치의 포장 결함으로 인해 건조제가 제품 내부로 혼입되는 현상이 발생하여, 제품이 오염되고 상품성이 저하되는 문제점이 있으며, 식품, 의약품의 경우 소비자의 사용상 안전성의 문제가 발생할 수 있다.

또한 건조제 파우치를 제품 내부에 투입하는 공정이 번잡하고, 건조제가 흡습기능을 발휘한 이후에 이취 및 반응생성물이 발생할 가능성이 높다.

따라서 본 발명자들은 수분 민감 제품을 위한 사용 편의성과 흡습 지속 효과의 특성을 고려하여 기능성 흡습 포장재 필름 개발하고자 하였다. 적용 건조 활성 물질로 흡습효과가 높은 물질을 조사, 선별하여 적용 농도별로 범용 플라스틱 필름에 함침 제조하였으며, 기능성 흡습 필름의 물성 및 효과를 확인하였다.

이의 결과, 폴리에틸렌계 수지에 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, polyacrylic acid partial sodium salt) 또는 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA, attapulgite synthesized acrylic amide)를 함침하여 필름을 제조할 경우, 수분 흡착력 및 물성이 우수한 수분 흡착 필름을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 주된 목적은 수분 흡착력 및 지속 효과가 뛰어나고, 제품의 오염이 발생하지 않으며, 사용이 간편하고 물성 또한 우수한 수분 흡착 필름을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 수분 흡착 필름의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 폴리에틸렌계 수지를 포함하여 이루어지며, 수분흡착제로 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, polyacrylic acid partial sodium salt) 또는 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA, attapulgite synthesized acrylic amide)를 더 포함하여 이루어지는 수분 흡착 필름용 수지 조성물을 제공한다.

폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, polyacrylic acid partial sodium salts)은 나트륨염과 폴리아크릴산(polyacrylic acid)을 가교화시킨 물질로, 가교화를 통해 생긴 분자사슬간의 공간에 물 분자를 함유하는 형태의 흡착을 진행한다.

폴리아크릴산 나트륨 염(PASS, polyacryic acid sodium salts)과는 가교화 정도의 차이가 있으며, PASS는 PAPSS보다 가교화를 더 진행시킨 것이다.

폴리아크릴산 부분 나트륨 염은 무독성이며 알칼리성이다. 수분과의 직접적인 접촉에 의해 급속도로 수분을 흡수하면서, 부피팽창이 이뤄진다. 동시에 분말형태의 경우, 고습도 및 수분과 접촉하게 되면 응집현상이 나타나고(도 1 참조), 수분의 양이 더 많아지게 되면 물에 녹으며, 고농도로 사용이 가능하다. 여러 염을 분산시킬 수 있는 분산 능력과 제지 및 안료 제조 등에 사용하기도 하며, 공장의 공기조절 시스템에도 사용된다.

구조식은 C₃H₃NaO₂이며, 의학용으로 사용이 가능하다. 이 물질을 의학용으로 사용할 경우, 항종양성 및 바이러스성 질환의 예방 및 치료제 또는 바이러스의 DNA합성을 방해하는 등의 항바이러스성 물질로 사용된다. 또한 치아치료의 목적으로 사용되는 의료기구(의치, 보철) 등에 사용할 수 있으며, 안약의 구성성분이기도 하다. 기존에 알려진 바에 따르면, 가교화된 염의 비율이 높아질수록 흡습능력이 감소되는 경향을 보이는 것으로 나타났다.

아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA, attapulgite synthesized acrylic amide)는 아타풀자이트(attapulgite)와 폴리아크릴아미드(poly acrylamide)를 가교화시킨 물질이다. 이 물질은 Junping Zhang(2007)에 의해 무기물과 유기물을 합성시킨 하이브리드(hybrid) 물질이다.

아타풀자이트는 제올라이트(zeolite), 몬모릴로나이트(montmorillonite, MMT), 규조토(diatomite) 등과 같이 점토(clay)로 분류된다. 주로 마그네슘 알루미늄 층상규산염(magnesium aluminium phyllosilicate, (Mg,Al)₂Si₄O₁₀(OH)·4(H₂O))으로 구성되어 있으며, fuller's earth로, 스맥타이트(smectite) & 팔리고스카이트(palygorskite)로 구성되어 있다. 스맥타이트는 격자구조로 구성되어 있으며, 격자구조의 입자와 수분이 수소결합을 통해 결합하여 겔(gel) 형태로 존재한다. 팔리고스카이트는 팽창 및 확장이 되지 않는다. 팔리고스카이트 입자는 + 또는 - 전하(charge)를 형성하여, 용액 상에서 아타풀자이트가 겔 타입으로 변하게 된다. 아타풀자이트의 기존 사용처는 페인트, 실란트, 접착제, 촉매, 고착제, 바인더 용도로 사용하며, 기타 나노(nano) 크기의 점토에 비해 저비용이다.

아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트에 관한 연구는 Polymer for advanced tech.에 적용되어 연구가 진행이 되고 있으며, 연구 결과 아타풀자이트의 표면 이온 치환 후 합성을 한 물질의 흡습능력이 우수한 것으로 나타났다. 이 물질은 최초의 응용 분야는 관상용 수목의 화분용 충진제로 개발이 되었으며, 이후 연구가 진행이 되면서 기타 분야로의 적용이 연구되고 있다.

고분자인 폴리아크릴아미드는 이온화가 안되며, 팽창정도가 큰 폴리머로, 기계적성이 우수하고 수용성 합성 폴리머로 가교화를 통해 개질이 이루어진다. 합성과정에서의 비누화(saponification)를 통해, 합성된 ATPGAA의 표면형태를 개선하게 된다. 일실시예에 따른 ATPGAA의 합성과정은 도 2와 같다.

본 발명의 수분 흡착 필름용 수지 조성물에서, 상기 수분흡착제는 상기 수지 조성물 총 중량의 0.5 내지 4중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 수분 흡착 필름용 수지 조성물에서, 상기 폴리에틸렌계 수지는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)인 것이 바람직하다.

본 발명의 수분 흡착 필름용 수지 조성물에서, 상기 폴리에틸렌계 수지는 녹는점이 180℃ 이하인 것이 바람직하다. 이는 가공온도가 180℃ 이상일 경우, 폴리아크릴산 부분 나트륨 염이 열분해될 수 있기 때문이다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 수지 조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 포장용 수분 흡착 필름을 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 폴리에틸렌계 수지 및 수분흡착제를 컴파운딩하여 펠렛을 제조하는 단계; 상기 펠렛에 상기 폴리에틸렌계 수지를 더 첨가하여 블로우 압출시키는 단계를 포함하는 포장용 수분 흡착 필름 제조방법이고, 상기 수분흡착제는 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, polyacrylic acid partial sodium salt) 및 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA, attapulgite synthesized acrylic amide) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 포장용 수분 흡착 필름 제조방법을 제공한다.

상기 펠렛을 제조하는 단계에서 폴리에틸렌계 수지 및 수분흡착제의 중량비는 20 : 1 내지 20 : 6으로 하는 것이 바람직하며, 상기 블로우 압출시키는 단계에서 수분흡착제의 함량이 총 수지조성물의 0.5 내지 4중량%가 되도록 폴리에틸렌계 수지를 더 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 펠렛을 제조하는 단계에서 폴리에틸렌계 수지 및 수분흡착제의 중량비를 9 : 1로 하는 것이 좋다.

상기 수분흡착제의 입도가 100 내지 500메쉬(mesh)인 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 수분 흡착력 및 물성이 우수한 수분 흡착 필름을 제조할 수 있다. 일반적으로 수출용 화훼의 경우 화훼의 색보존을 위해 실리카겔 및 흡습지를 이용하여 수출을 진행하는데, 이것을 취급 편리하고 흡습 효과성이 높은 본 발명의 수분 흡착 필름으로 대처하여 제품의 품질보존 효과를 높일 수 있으며, 특히 수분에 민감한 건조식품 즉, 분말 입자 형태의 밀가루, 튀김가루, 건어물 등에 적용 가능할 뿐만 아니라 기계 부속품 또는 고철류 보관 시 제습포장에 적용이 가능하여 이들 제품의 보존 효과를 높일 수 있다. 또한 제품의 저장 및 보관 창고 내부에 제습을 위한 포장재로의 활용도 가능하다.

도 1은 5g 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS)에 10㎖(좌), 50㎖(가운데), 100㎖(우)의 물을 첨가하였을 때의 팽창 작용을 나타내는 사진이다.
도 2는 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(ATPGAA)의 합성 공정을 나타낸 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명 실시예의 실험과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 20℃, 30℃, 40℃에서 각 흡착 물질의 수착 작용을 나타내는 그래프이다.
도 5는 2.5배의 분산제(Triton X-100)를 사용하여 제작한 시트에서 PAPSS 입자의 분포를 나타내는 사진이다.
도 6은 2.0배의 분산제(Triton X-100)를 사용하여 제작한 시트에서 PAPSS 입자의 분포를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명 실시예에서 제작한 시트의 기계적 물성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명 실시예에서 포장용 필름의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.
도 9는 본 발명 실시예에서 흡착 물질 농도에 따라 제작한 수분 흡착 필름의 수착 작용을 나타낸 그래프이다.
도 10은 흡착 물질 농도에 따른 수분 분포율을 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명 실시예에서 PAPSS의 농도에 따라 제작한 필름의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명 실시예에서 ATPGAA의 농도에 따라 제작한 필름의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

실시예 1. 수분흡착 소재 특성 분석

수분 및 여러 흡착제간의 특성을 비교하여, 대기 중의 수분 흡착이 용이할 것으로 추정되어지는 물질을 선정하였으며, 대기 중의 수분 및 주변의 액체를 물리적으로 흡착하는 형태의 흡착물질을 선정하였다. 이는 식품포장에 적용 시, 화학적 결착으로 예상치 못한 수분과 흡착제간의 반응 부산물에 의한 문제를 예방하기 위함이다.

또한 흡착제의 제조 공정을 파악하여, 화학적 처리가 최소화 되는 물질을 선정하였다. 이 또한 식품포장에 적용 시 야기될 문제점을 최소화하기 위함이다.

필름 적용 시의 가공 적성을 고려하여, 필름에 혼입을 위한 적정입도로의 가공 가능성과 대량 생산에 적용 시 경제성을 고려하여, 용이하게 구입 가능한 물질 등을 위주로 선정하였다.

상기 기준에 근거하여 표 1과 같은 물질을 선정하였다.

	물질 선별 기준
	흡수성	물리적 흡수 특성	과도한 화학적 처리	경제성	가공 가능성
실리카겔	○	○	-	○	-
제올라이트	○	○	-	○	○
Diatomite (Power Dry)	○	○	-	○
Montmorillonite (Closite®Na⁺)	○	○	○	○	○
Montmorillonite (Closite®20A)	○	○	○	○	○
Montmorillonite (Closite®30B)	○	○	○	○	○
PAPSS	○	○		○	○
ATPG	-	○	-	○	○
ATPGAA	○	○	-	-	○

* PAPSS : Polyacrylic acid partial sodium salt

* ATPG : Attapulgite

* ATPGAA : Attapulgite synthesized acrylic amide

1-1. 물질별 흡착능력 평가

대조구인 실리카겔을 포함한 총 7개의 물질에 대해 흡습능력을 측정하였다.

제올라이트(zeolites)는 AK Chem Tech.에서 제공받았으며, 규조토(Diatomite)(상품명 power dry)는 새남소재에서 제공 받았다. 몬모릴로나이트(montmorillonite, MMT)는 Southern clay(USA)에서 공급 받았으며, 예비실험을 통하여 Closite®Na⁺를 선택하여 실험을 진행하였다. 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(polyacrylic acid partial sodium salt, PAPSS)(lightly crosslinked)은 Aldrich Co.,(USA)의 물질을 구매하였으며, 아타풀자이트(attapulgite, ATPG)는 BASF Co. (Korea)를 통해 구매하였다. 아크릴 아마이드 합성 아타풀자이트(attapulgite synthesized acrylic amide, ATPGAA)는 도 2에 제시된 과정을 통해 합성을 하였으며, 실리카겔(silica-gel)은 (주)덕산의 제품을 구매하였다.

제올라이트는 표면의 음이온을 양이온으로 치환하여, 기체의 흡착능력을 향상 시킨 물질이며, Power dry는 800℃에서의 소성을 시킨 후 CaO에 침전 및 건조시킨 규조토이다. Closite®Na⁺는 천연 MMT이며, PAPSS는 기저귀의 중간층에 혼입되어 있는 물질이다. ATPG는 알루미나 마그네슘이 수화된 무기물로, 흡착능력이 있으며, ATGAA는 초흡수제로의 가능성이 있는 물질이다. 마지막으로 실리카겔은 기존의 식품포장에 적용되고 있는 대표적인 흡수제로, 본 실험에서는 대조구로의 역할을 한다.

상대습도 조건하에서 각 물질의 흡습능력을 측정하였다. 전처리를 거친 물질을 일회용 AL 접시에 각각 5g씩을 전자저울(Sartorius Ag Gottingen CP224S, ±0.0001g)을 이용하여 계량하여 옮겼다. 물질의 초기무게(Wi)는 5g이며, 저장 이후 19일간 각각 20℃, 30℃, 40℃의 온도에서 보관을 하였고, 개봉하여 19일간의 무게 증감을 측정하였다. 19일 이후의 무게(Wf)에서 초기무게 5g을 뺀 값은 물질 5g이 19일간 흡착한 대기 중의 수분의 양이 되며, 이를 초기무게로 나눈 값은 물질 1g이 흡착한 수분의 양으로 계산된다. 이를 수식으로 나타내면, 방정식 1과 같다.

[방정식 1]

6개의 상대습도로 고정된 밀폐용기 내부에서 진행하였다. 밀폐용기는 개폐가 가능한 플라스틱 용기를 이용하였으며, 내부 시스템은 도 3과 같다. 상대습도는 포화 염 용액(saturated salt solution)을 이용하여 조절하였다. 사용한 염의 종류는 KCl, NH₄NO₃, Na₂Cr₂O₇·H₂O, CaCl₂, NaOH, K₂SO₄이며, 이들 염은 각각 30, 40, 50, 60, 70, 80%RH를 조성할 수 있는 염이다. 이들 포화 염 용액의 저장 온도에 따라 조성되는 상대습도의 차이는 있다. 도 3과 같이 조성한 시스템 내부의 실제 상대습도를 측정하기 위해 데이터로거 센서(datalogger sensor, SK-Sato, SK-L200THII, Tokyo, Japan)를 이용하였다. 온도별로 실제 측정한 상대습도는 표 2와 같다.

염 종류	수분활성(aw)
염 종류	20℃	30℃	40℃
K₂SO₄	0.309	0.321	0.340
KCl	0.384	0.381	0.386
NH₄NO₃	0.514	0.558	0.614
Na₂Cr₂O₇·H₂O	0.610	0.729	0.866
CaCl₂	0.731	0.821	0.929
NaOH	0.879	0.934	0.977

온도는 대형 항온 항습기를 이용하여, 온도만을 조정하였다. 20℃±0.5℃, 30℃±0.5℃, 40℃±0.5℃로 조성하였으며, 각 온도는 상온, 여름철 외부온도, 여름철 저장창고 온도를 가정하여 설정하였다. 최종 적용대상이 건제품의 보관환경을 묘사하였으며, 온도에 따른 물질의 흡착능력이 미치는 영향을 파악하였다.

1-2. 결과 및 해석

각 물질별 흡습량은 상기 방정식 1을 사용하여 결과값을 도출하였으며, 각각의 결과를 도식화하면, 도 4와 같다.

도 4에 나타난 것과 같이 PAPSS가 7개의 물질 중 가장 큰 흡착 능력을 나타냈으며, 그 다음으로는 ATPGAA가 우수한 것으로 나타났다. 각 물질별 흡착 능력은 표 3 내지 4와 같다.

온도(℃)	aw	Qeq(g/g)
온도(℃)	aw	실리카겔	제올라이트	Power Dry	Closite®Na+
20℃	0.3090	0.0589±0.0206	0.0527±0.0115	0.1206±0.0092	0.0793±0.0008
	0.3840	0.1007±0.0004	0.0620±0.0009	0.1371±0.0027	0.0804±0.0042
	0.5140	0.2653±0.0003	0.2066±0.0019	0.2000±0.0037	0.1073±0.0034
	0.6100	0.2570±0.0013	0.1595±0.0020	0.1529±0.0503	0.0984±0.0038
	0.7310	0.2580±0.0099	0.1983±0.0032	0.1798±0.0026	0.1067±0.0050
	0.8790	0.2604±0.0212	0.3848±0.0081	0.2779±0.0043	0.1785±0.0093
30℃	0.3210	0.0709±0.0010	0.0442±0.0006	0.1361±0.0036	0.0556±0.0008
	0.3810	0.0837±0.0005	0.0557±0.0008	0.1417±0.0068	0.0611±0.0005
	0.5580	0.2528±0.0013	0.1881±0.0022	0.1425±0.0869	0.0824±0.0007
	0.7294	0.2126±0.0028	0.1147±0.0067	0.1746±0.0051	0.0684±0.0023
	0.8210	0.2430±0.0043	0.1940±0.0015	0.1361±0.0039	0.0813±0.0035
	0.9341	0.2630±0.0015	0.3830±0.0086	0.2762±0.0049	0.1337±0.0058
40℃	0.3397	0.0841±0.0092	0.0350±0.0010	0.1531±0.0017	0.0295±0.0034
	0.3856	0.0649±0.0027	0.0487±0.0005	0.1467±0.0028	0.0398±0.0077
	0.6140	0.2391±0.0037	0.1678±0.0013	0.0792±0.0044	0.0551±0.0313
	0.8658	0.1638±0.0503	0.0653±0.0028	0.1984±0.0012	0.0354±0.0136
	0.9292	0.2264±0.0026	0.1894±0.0043	0.0881±0.0064	0.0534±0.0239
	.9774	0.2658±0.0043	0.3811±0.0015	0.2743±0.0054	0.0844±0.0842

온도(℃)	aw	Qeq(g/g)
온도(℃)	aw	PAPSS	ATPG	ATPGAA
20℃	0.3090	0.0458±0.0213	0.0671±0.0156	0.0667±0.0034
	0.3840	0.1301±0.0122	0.0824±0.0066	0.1241±0.0077
	0.5140	0.9083±0.0018	0.1431±0.0186	0.5150±0.0313
	0.6100	0.6711±0.0011	0.1305±0.0042	0.3502±0.0136
	0.7310	0.9347±0.0043	0.1369±0.0068	0.4874±0.0239
	0.8790	0.6202±0.0202	0.3186±0.0157	0.0333±0.0842
30℃	0.3210	0.1147±0.0101	0.0707±0.0017	0.1091±0.0068
	0.3810	0.1676±0.0001	0.0800±0.0028	0.1442±0.0083
	0.5580	0.8354±0.0172	0.1284±0.0044	0.4569±0.0323
	0.7294	0.5762±0.0016	0.1053±0.0012	0.3045±0.0084
	0.8210	0.0363±0.0023	0.1192±0.0064	0.4799±0.0215
	0.9341	0.9057±0.0009	0.3056±0.0054	0.1966±0.0811
40℃	0.3397	0.1906±0.0036	0.0747±0.0068	0.1557±0.0006
	0.3856	0.2089±0.0068	0.0772±0.0083	0.1663±0.0008
	0.6140	0.7551±0.0087	0.1123±0.0323	0.3929±0.0022
	0.8658	0.4717±0.0051	0.0777±0.0084	0.2542±0.0067
	0.9292	0.1480±0.0039	0.0996±0.0215	0.4717±0.0015
	0.9774	0.2198±0.0049	0.2914±0.0811	0.3762±0.0086

상기 값들은 실험 환경하의 값을 나타낸 것이다. 실험환경 이외 조건에서의 값을 추정 하기위해 수학적 모델을 이용하였다. 이 방법은 기존의 등온흡착곡선(sorption isotherm)의 해석에 사용되는 방법으로, 기존에 사용된 수학적 모델식을 이용하여, 가장 적합한 모델을 찾아 기타 환경에서의 값들을 추정하였다. 사용한 수학적 모델은 표 5에 나타나 있다.

모델명	모델 방정식	참고
Chung-Pfost		Pfost et al.(1976)
Modified Halsey		Iglesias and Chirife (1976)
GAB		Van der berg and Briun(1981)
Modified Oswin		Chen(2000)
Henderson-Thompson		Thompson et al.(1968)
White and Eiring		Castillo et al. (2003)
Peleg		Peleg(1993)
Smith		Smith(1947)
Caurie		Castillo et al. (2003)

* Xe : Qeq의 의미와 같다.

* a, b, c는 상수(constant)이다.

모델링의 판단 기준은 상관계수인 R²값을 기준으로 선정 하였으며, 물질별로 선정된 모델 및 수식에 표현된 상수의 값들은 표 6과 같다.

온도(℃)	물질	최적 모델	R²	상수값
온도(℃)	물질	최적 모델	R²	a	b	c
20℃	실리카겔	Peleg	0.91	1.28	-0.82	-1.01
	ClositeNa+	Chung-Pfost	0.89	7.09	0.00	511.34
	Power Dry	Modified Halsey	0.82	973.82	3.34	3.00
	제올라이트	Peleg	0.94	0.28	9.51	0.10
	PAPSS	Chung-Pfost	0.89	1.48	0.00	420.54
	ATPG	Modified Halsey	0.93	-890.99	-3.03	1.53
	ATPGAA	Smith	0.89	-0.07	0.51	-
30℃	실리카겔	Peleg	0.89	1.10	-0.63	-0.84
	ClositeNa+	Modified Oswin	0.88	52.71	0.17	0.53
	Power Dry	Modified Halsey	0.73	-5.28	0.01	3.83
	제올라이트	Peleg	0.86	0.16	13.37	0.07
	PAPSS	Modified Oswin	0.91	-55.71	-0.19	0.58
	ATPG	Peleg	0.96	0.73	18.87	0.10
	ATPGAA	Modified Halsey	0.93	-15.29	-0.04	1.37
40℃	실리카겔	Peleg	0.74	-0.01	-2.48	0.24
	ClositeNa+	Modified Halsey	0.83	4309.04	13.78	1.84
	Power Dry	Peleg	0.60	48.50	258.27	0.14
	제올라이트	Peleg	0.81	0.08	28.82	0.04
	PAPSS	Modified Halsey	0.92	-2.64	0.00	1.73
	ATPG	Peleg	0.98	0.82	61.67	0.09
	ATPGAA	Peleg	0.97	2.49	36.68	0.30

상기 표 6을 이용하여, 적용되는 대상의 주요 온도를 알면 해당 온도에서 물질이 흡습하는 수분의 양을 R²값의 확률로 추정할 수 있다.

본 실시예를 통해 7개의 흡습 물질 중 PAPSS와 ATPGAA의 흡습능력이 우수한 것으로 나타났다. 이 두 가지 물질은 대조구인 실리카겔과 비교 시, PAPSS는 약 6배, ATPGSS는 약 4배의 흡습능력을 보였다.

또한 수학적 모델을 이용한 모델링을 통해 전 범위 상대습도에 대한 논리적인 유추를 할 수 있는 방법을 유도하였으며, 이는 적용대상에 따라 물질의 함유량을 결정지을 수 있는 근거를 추론할 수 있다. 본 실시예의 결과를 실제 필름 제작에 이용하였다.

실시예 2. 시트( sheet ) 제작을 통한 필름 적용 가능성 분석

상기 실시예 1을 통해 PAPSS와 ATPGAA의 2가지 흡습물질을 선정하였다. 이들을 포장재에 적용하기 위한 연구를 진행하였다. 우선, 범용 플라스틱인 LDPE 수지를 이용하여, 시트를 제작한 후 물성 및 물질 분산성 평가를 수행하였다. 최종 목적인 기능성 필름 개발 과정 중간 단계인 시트(sheet) 제작을 통해 필름 개발 가능성을 평가하였다.

2-1. 시트 제작 및 분석

핫 프레스(hot press)를 이용하여 시트를 제작하였으며, 온도 및 압력을 각각 200℃, 10MPa 조건으로 하였다. 시트 수지로 LDPE 수지를 사용하였으며, 기능성 물질은 상기 실시예 1에서 선정된 PAPSS와 ATPGAA이다. 두 가지 물질을 LDPE 수지에 고르게 분산시키기 위해 입도를 1000㎛ 이하로 조정하였다.

시트 제작 시 물질의 함유량을 결정하기 위해, 제습제가 혼입되어 있는 식품 중 건조 김을 기준으로 하였고, 상용화되고 있는 건조제인 실리카겔의 적정량을 기준으로, 실험결과와 비교하여 PAPSS와 ATPGAA 적용 시 필요한 물질량으로 환산하였다. 건조 김의 제품 중량 분류는 표 7과 같다.

	A사 제품	B사 제품	C사 제품	D사 제품
제품 중량	15.51g	14.10g	13.47g	12.12g
필름 중량	3.1g	3.17g	3.16g	3.12g
트레이 중량	4.21g	4.27g	4.25g	4.50g
생산품 중량	5g	5g	5g	5g
흡수제 중량	8.2g	6.66g	6.06g	4.5g

표 7의 조사 자료에 의하여 건조 김에 사용되는 실리카겔의 양이 평균 6g이며, 이에 따라 PAPSS와 ATPGAA의 양은 1.7g과 2.45g으로 계산되었다. 시트 제작 시 들어갈 물질의 양은 이 물질이 100%의 흡습 효율을 발휘한다는 가정을 전제로 결정되었다.

분말 형태의 두 기능성 물질을 수지 사이에 분산을 시키기 위해 분산제를 이용하였다. 분말형태의 고체를 분산시키는데 일반적으로 이용되는 물질인 Triton X-100를 분산제로 적용하였다.

분산제의 양에 따라서 분산정도를 알아보기 위해 각 시트를 제작하였으며, 전자 현미경을 이용하여 분산정도를 확인하였다.

제작한 시트의 물성을 평가하기 위해, TA.XT 질감 분석기(texture analyzer, stable Micro System Ltd, UK)를 이용하여 인장강도와 신장률(%)을 측정하였다. 사용한 로드셀(load cell)은 50kgf이며, 시트의 평균 두께는 1.14±0.5㎜로, 시편 크기는 가로 1㎝, 세로 10㎝로 구성하였다. 실험구 1개당 5개의 시편을 제작하여 측정하였다.

2-2. 결과 및 해석

시트 제작 이전에 Triton X-100의 분산효과를 육안으로 확인하고, 핫 프레스 공정 중 분산제가 흘러나오는 현상을 방지하기 위해 분산제 사용량을 확인하였다. PAPSS 1g에 분산제의 양을 물질 중량 대비 1.5배, 2.0배, 2.5배를 사용하였다. 이의 결과는 표 8과 같다.

분산제	1.5g	2.0g	2.5g
사진
확대사진 (디지털 카메라)

시트 제작에 분산제를 적용하는 이유는 기능성 물질의 분산 효과뿐만 아니라 핫 프레스 공정에서 물질을 받쳐주는 알루미늄 포일(Al-foil) 제거를 용이하게 하기 위함이다. 표 8에 나타난 바와 같이, 2.0배와 2.5배의 분산제를 사용했을 때 분산의 효과가 있는 것으로 나타났다.

전자 현미경을 이용한 관찰은 시트의 특정 부분을 선정하여 실시하였고, 선정된 부분을 2400배 확대하여 확인하였다. 2.5배의 분산제를 이용한 시트의 관찰 결과는 도 5와 같으며, 2.0배 분산제를 이용한 시트의 관찰 결과는 도 6과 같다.

도 5에서 번호로 표시된 부분을 전자 현미경을 이용하여 확대하였으며, 이 사진은 오른쪽 부분에 나타냈다. 공통적으로 검은색으로 표시된 부분이 PAPSS 또는 분산제가 뭉쳐 있는 부분이라 할 수 있다. 1번 구역에서 L1 ~ L5는 물질이 분산된 모형과 크기이며, L5를 제외한 부분의 평균 크기는 7.09㎛이다. 2번 구역에서 C2부분은 주변에 검은 반점이 보이지만 가운데 부분은 비어있는 도넛형태를 나타낸다. 이는 프레스 공정에서 발생하는 상처 형태로, 구형 수지 주변에 물질이 둘러싸인 상태로 분산되지 않고 녹아서 시트가 된 형태이다. 2번 구역에서 나타난 형태는 3, 4번 구역에서도 관찰되었으며, 이는 프레스 공정의 특징으로 간주할 수 있다. 검은 반점이 PAPSS이기 때문에 전반적인 분산 상태는 양호하지만, 부분적으로 분산이 안 되고 액형 분산제에 따른 응집이 발생한 것으로 관찰되었다.

도 6의 전자현미경 확대 사진을 보면, 전반적으로 PAPSS가 도 5처럼 박혀있는 형태를 찾아보기가 힘들며, 물결무늬가 관찰되었다. 이는 분산제의 양이 적어 압력에 의한 분산 시 분산되는 양이 적고, 분산제가 시트 내부에 잔존해 있는 것으로 보인다. 즉, 물결무늬 내부에 물질이 있을 것으로 판단된다.

전자현미경을 이용한 관찰 결과, 액형 분산제를 이용하여 물질을 분산시키려는 시도는 어려운 것으로 판단되며, 분산제와 분말이 접촉할 때 발생되는 응집현상과 시트 제조 방법에 대한 문제로 인해 기계적 방법을 이용한 분산을 이용해야 한다는 결론을 도출하였다.

제작한 시트의 물성 실험 결과는 표 9 및 도 7과 같다.

	최대인장력 (㎏)	변형율(%)	응력(㎏/㎟)	평균신장율 (%)	평균 인장응력	비교(%)
LDPE	9.7	97.647	1.026316	97.2868	1.031579	-
	9.9	101.486	1.026316
	10.1	96.687	1.052632
	9.7	93.927	1.026316
	9.7	96.687	1.026316
2.0배 (PAPSS)	8.2	49.779	0.723	55.4324	0.7922	56.98	76.94
	10	77.952	0.881
	8.7	50.155	0.761
	8.9	49.638	0.777
	9.3	49.638	0.819
2.5배 (PAPSS)	10.2	63.671	0.897	63.3452	0.868	65.11	84.14
	9.3	57.342	0.816
	10.2	66.661	0.897
	10.5	67.781	0.922
	9.2	61.271	0.808
2.0배 (ATPGAA)	8.3	63.491	0.724	57.5698	0.7078	59.18	68.61
	7.8	57.302	0.685
	8	55.772	0.7
	8.7	55.842	0.764
	7.6	55.442	0.666
2.5배 (ATPGAA)	6.2	56.912	0.54	57.1898	0.5848	58.74	56.69
	4.4	53.512	0.385
	6.7	54.732	0.59
	8.3	63.491	0.724
	7.8	57.302	0.685

LDPE 데이터를 기준으로 비교한 결과 신장률은 50~60% 사이의 값을 나타내며, 인장강도는 평균적으로 70%의 값을 나타낸다. 분석 이후 절단된 시트를 관찰한 결과 절단된 위치는 각기 다르지만, 공통점으로는 물질이 뭉쳐있는 부분에서 절단이 일어났다. 분산제 사용량에 따른 비교는 PAPSS의 경우만 나타났으며, 분산제 사용이 많을 경우 신장률과 인장 강도면에서 우수한 결과를 도출할 수 있었다. 이는 결국 물리적 혼합 시 분산이 필름 또는 시트의 물성에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.

실시예 3. 필름 제작

3-1. 필름 제조

시트 제작을 통한 실험결과 분산제를 이용한 분산은 분말형태의 기능성 물질이 접촉과 동시에 발생되는 응집 현상 등에 의해 효과적이지 못한 것으로 나타났다. 따라서 기계적인 분산을 선택하였고, 그 방법으로 수지와의 컴파운딩(compounding)을 통해 펠렛(pallet)을 만들어 1차적으로 분산을 시킨 뒤 필름 압출 과정을 통해 2차적으로 분산시키는 방법을 선택하였다.

컴파운딩은 강원도 원주시 소재의 (주)NPI를 통해 실시하였다. 트윈 스크류 사출성형 장치를 사용하였으며, 레진은 필름용 LLDPE인 Hanwha 3126을 이용하였다. PAPSS와 ATPGAA는 필름 제작 시 입도에 의한 물성저하 등을 최소화하기 위해 입도를 100mesh로 갈아서 사용하였다. 펠렛 내부의 기능성 물질의 함량은 중량대비 10%로 맞춰 제작을 하였다. 각 구간의 온도는 실린더 1(cylinder) 150℃, 실린더 2 150, 실린더 3 160℃, 어댑터(adapter) 170℃, 캐리어(carrier) 170℃, 다이(die) 1 170℃, 다이 2 170℃로 설정하였으며, 내부 속도는 40rpm 이었다.

기능성 물질이 10% 농도로 첨가된 펠렛은 경남 양산시 소재의 (주)ARTS에서 0.7㎜의 두께로 블로우(blow) 압출을 통해 필름으로 제작하였다. 제작한 필름은 대조구인 LLDPE 필름을 포함하여, 물질별 농도를 0.5%, 1%, 2%, 4%로 하여 총 9종의 필름을 제작하였다(도 8 참조). 필름의 중량은 표 10과 같다.

	함량(%)	흡습물질(kg)		LLDPE(kg)	총(kg)
샘플 1	0	-		10	10
샘플 2	0.05	0.5	PAPSS	9.5	10
샘플 3	1	1		9	10
샘플 4	2	2		8	10
샘플 5	4	4		6	10
샘플 6	0.05	0.5	ATPGAA	9.5	10
샘플 7	1	1		9	10
샘플 8	2	2		8	10
샘플 9	4	4		6	10

제조 공정상에서 PAPSS가 첨가된 샘플 2 ~ 5번은 발포성향이 나타났으며, PAPSS가 160℃에서 발포하는 것으로 나타났다. 발포현상은 PAPSS의 열분해에 의한 결과로 추측되어진다. 참고로 실시예 2에서 핫 프레스를 이용하여 시트를 제작할 때에는 200℃에서 5분간 열에 노출되어도 분해 성향이 나타나지 않았다. 이와 같은 현상은 제조 공정상 압출기에서 지속적인 열 및 압력에 의하여 분해되기 때문인 것으로 추측된다. 반면 ATPGAA는 점토와 고분자의 합성 물질이기 때문에 열에 대해 안정적인 것으로 나타났다. 이는 혼성 물질의 특징으로 무기물의 열안정성 및 강성과 유기물의 기능성이 복합되었기 때문인 것으로 결론지을 수 있다.

3-2. 필름의 분산도 평가

필름의 분산도 평가를 위하여 상기 실시예 3-1의 각 필름을 일정한 크기인 0.25㎡ 면적과 0.07㎜ 두께로 절단하였고, 각 시편의 무게(약 1g 기준)를 측정한 기준으로 평가하였다. 필름의 초기 무게 측정을 통해 물질의 분산여부를 판단 비교하였다. 필름의 초기 무게 및 분산이 100% 이뤄졌다는 가정 하에 계산된 시편안의 물질의 무게를 표 11에 나타냈다.

샘플	필름중량(g)/시편	예측된 흡습물질 중량(g)
LLDPE(대조군)	1.159±0.074	-
0.5% PAPSS	1.145±0.092	0.006±0.004
1% PAPSS	1.396±0.139	0.014±0.001
2% PAPSS	1.411±0.141	0.028±0.003
4％ PAPSS	1.188±0.057	0.048±0.002
0.5% ATPGAA	1.220±0.067	0.006±0.002
1% ATPGAA	1.134±0.064	0.011±0.001
2% ATPGAA	1.149±0.043	0.023±0.001
4% ATPGAA	1.120±0.046	0.045±0.002

표 11에 나타난 결과로 물질의 분산 정도를 예측할 수 있다. 0.5% 물질 양을 기준으로 평가하였을 때, 시편 안에 있는 기능성 물질의 양이 예측치 보다 많은 양이 있는 것으로 나타났으나, 제조한 필름을 외형상으로 비교 평가하면 분산이 비교적 잘된 것으로 예측할 수 있다.

ATPGAA와 PAPSS의 양을 비교하였을 때 ATPGAA의 양이 예측치 값과의 상대 비교 차이가 PAPSS 보다 작게 나타나 분산이 PAPSS 보다 잘된 것으로 생각되며, 물질의 필름 분산도 차이는 PAPSS의 160℃에서의 열분해에 의한 발포 특성과 달리 ATPGAA의 경우 폴리머 기반 물질에 의해 같은 조건 상의 필름 제조 시 분산의 차이가 발생된 것으로 판단된다. 기계적 분산 과정에서 PAPSS의 열분해 및 발포에 의해 LLDPE 용융액의 점도가 고체 입자로 존재 했을 때에 비해 증가하여, 필름 분산에 장애요소로 작용했을 것이라 추정된다.

3-3. 필름의 흡습능력 평가

상기 실시예 3-1의 각 필름을 가로 10㎝, 세로 25㎝로 절단하여, 상기 실시예 1-1에서 흡습물질의 흡습능력 테스트와 동일한 방법으로 진행하였다. 수행 온도는 20℃, 기간은 10일이었다. 이외의 기타 조건은 실시예 1-1과 동일하게 진행하였다.

재단한 필름에 있는 흡습물질이 100% 분산되었다는 가정아래 추정하여, 물질량을 계산하였다(하기 방정식 2). 필름의 초기 무게와, 최종무게의 차이를 물질량으로 나눠서, 필름의 흡습능력을 측정하였다. 이의 결과는 표 12 및 도 9와 같다.

[방정식 2]

%RH	Qeq(g/g)
%RH	LLDPE	0.5% PAPSS	1% PAPSS	2% PAPSS	4% PAPSS
0.309	0	0.003±0.005	0.010±0.004	0.008±0.002	0.010±0.002
0.384	0	0.014±0.007	0.037±0.007	0.029±0.002	0.038±0.004
0.514	0	0.156±0.018	0.271±0.017	0.254±0.039	0.300±0.017
0.610	0	0.141±0.013	0.201±0.014	0.219±0.026	0.267±0.017
0.731	0	0.222±0.020	0.251±0.016	0.317±0.032	0.338±0.007
0.879	0	0.327±0.005	0.456±0.031	0.504±0.060	0.542±0.036
%RH	Qeq(g/g)
%RH	LLDPE	0.5% ATPGAA	1% ATPGAA	2% ATPGAA	4% ATPGAA
0.309	0	0.003±0.005	0.016±0.004	0.014±0.001	0.017±0.003
0.384	0	0.017±0.008	0.066±0.015	0.054±0.003	0.058±0.005
0.514	0	0.198±0.012	0.502±0.067	0.454±0.016	0.511±0.017
0.610	0	0.162±0.015	0.384±0.026	0.379±0.023	0.442±0.017
0.731	0	0.248±0.027	0.446±0.016	0.580±0.041	0.549±0.014
0.879	0	0.411±0.011	0.697±0.080	0.847±0.063	0.844±0.052

도 9는 LLDPE 필름에 함침된 PAPSS 또는 ATPGAA 물질 1g이 흡착한 대기 중의 수분의 양을 나타낸다. 도 9의 20℃에서 기능성 물질의 흡착능력 결과와 비교하면, 기능성 물질이 적용된 필름은 흡습능력 저하의 차이를 나타낸다. 이는 기능성 물질의 흡습능력 측정 시, PAPSS가 최고의 흡습력을 보여주었지만, 필름 적용을 위한 제조과정에서 열분해에 의해 흡습능력이 ATPGAA에 비해 떨어진 것으로 나타났다. LLDPE 필름에 함침된 ATPGAA 물질의 경우도 기존 물질의 흡습능력에 비해 낮은 흡습력을 나타낸 이유는 기능성 필름의 LLDPE가 수분 흡착에 있어서 간섭 역할을 하기 때문으로 판단된다.

10일의 저장 시험 동안 첨가된 기능성 물질의 농도가 증가 할수록 흡착능력이 증가하는 경향을 나타냈으며, 저장 기간이 길수록 최종적인 물질의 흡착 효율은 동일하다고 볼 수 있으나, 10일을 기준으로 발생한 흡착율의 차이는 진행되는 수분 흡착 속도 정도의 차이가 생긴 것으로 예측되어 진다(도 10 참조).

3-4. 필름의 물성 비교

PAPSS와 ATPGAA의 함량변화에 따른 필름의 기계적 물성을 비교 분석하기 위하여 인장강도(tansile strength)와 신장율(elongation at break)을 측정하였다.

시험편의 두께 및 크기 등은 일반적인 인장강도 표준규격인 ASTM D 3826 방법에 따라 가로 25㎜, 세로 102㎜로 재단하였고, TA.XT 질감 분석기(texture analyzer, stable Micro System Ltd, UK)를 이용하여 측정하였다. 로드셀은 50㎏이었으며, 인장속도는 500㎜/min 이었다. 각 시료별로 5개 이상의 샘플을 채취하여 실시하였다.

도 11과 도 12는 흡습 물질 적용 함량 별로 기능성 필름 물성의 보여주고 있다. PAPSS의 경우 물질 함량 증가에 따른 필름의 물성 변화를 나타냈다. LLDPE 필름인 대조군과 비교하였을 때 PAPSS 첨가로 인해 인장강도는 전체적으로 68% 정도 저하되는 성향이 나타났다. PAPSS 첨가 농도 별로 비교하였을 때 0.5% 첨가, 1% 첨가, 2% 첨가의 경우 수치적 차이는 있으나, 각각 편차는 적은 것으로 나타났다. 이는 중량대비 PAPSS를 2%까지 첨가하여도 인장강도 저하에 큰 영향이 없는 것으로 해석할 수 있으며, 4%의 PAPSS 첨가 시 기능성 필름의 인장강도는 LLDPE 대조구 필름 대비 약 56%로 저하되었다.

도 11의 PAPSS 첨가에 따른 인장강도의 변화와 도 12의 ATPGAA의 첨가에 따른 인장강도의 변화를 비교하면, ATPGAA 첨가 시 인장강도의 저하율이 비교적 적은 것을 알 수 있다. 필름 제작 시 PAPSS 첨가에 따른 발포현상이 관찰되었고, 이는 160℃에서 PAPSS의 열분해 되어 변화되는 것에 따른 물성 저하가 추가 진행된 것으로 판단된다.

도 11의 신장율은 4%의 PAPSS에서 급격한 저하가 나타났으며, 0.5%, 1%, 2% 첨가 시 신장율의 저하는 발생되지만, 물질 양에 따른 저하는 차이가 적은 것으로 나타났다.

도 12의 ATPGAA 첨가에 따른 물성변화는 도 11의 PAPSS 첨가에 따른 물성 변화와 유사한 경향을 나타냈으며, PAPSS를 첨가한 필름과 비교하여 인장강도는 높게 나왔지만, ATPGAA를 첨가한 필름이 신장율이 낮은 것으로 평가되었다. 이는 ATPGAA가 점토 기반의 무기 물질이므로, 일정한 함량 이상 적용 시 고분자 필름의 물성을 급격히 떨어뜨린다고 판단되며, 반면 PAPSS는 폴리머 기반의 물질이지만 역시 일정한 함량 이상 적용 시 고분자 수지 필름과의 화학적 결합이 이루어지 않고 독립적인 상태로 수지 메트릭스 사이의 빈 공간에 위치하는 것으로 예측되며, 기본적으로 두 물질의 적용에 따른 물성 차이는 화학적 구조 특성 차이에 의해 얻어지는 신장율 값으로 해석이 된다.

3-5. 결과

표 13은 각 필름의 흡습능력 평가 결과로, 20℃에서 실리카겔, PAPSS, ATPGAA의 흡습량 결과와 각 원재료 물질을 2% 첨가한 기능성 필름의 흡습량을 비교 하여 나타낸 것이다. 2% 흡습물질을 첨가한 기능성 필름은 인장강도 또는 신장률의 변화가 적으면서, 흡습량이 높은 것으로 나타났다. 데이터의 상호 비교는 환경조건인 상대습도별 비율(%)로 나타내었다. PAPSS가 2% 첨가된 필름은 PAPSS 원 물질에 비해, 최대 33%정도의 수분 흡착효율을 나타냈지만, 실리카겔과 비교하였을 때 상대습도 50% 이상의 조건에서는 유사한 값 또는 그 이상의 수분 흡착력을 보여주었다. ATPGAA가 2% 첨가된 필름의 경우에서도 50%RH 이상의 환경조건에서 실리카겔이 가지는 수분흡착 값 이상의 흡습능력을 나타냈다.

%RH	Qeq(g/g)			비율(%)
%RH	실리카겔(A)	PAPSS(B)	2% PAPSS 필름(C)	(C)/(B)×100	(C)/(A)×100
0.309	0.059±0.021	0.046±0.021	0.008±0.002	18.368	14.295
0.384	0.101±0.001	0.130±0.012	0.029±0.002	22.477	29.021
0.514	0.265±0.001	0.908±0.002	0.254±0.039	27.948	95.703
0.610	0.257±0.001	0.671±0.001	0.219±0.026	32.570	85.049
0.731	0.258±0.010	0.935±0.004	0.317±0.032	33.878	122.751
0.879	0.260±0.021	1.620±0.020	0.504±0.060	31.124	193.621
%RH	Qeq(g/g)			비율(%)
%RH	실리카겔(A)	ATPGAA(B)	2% ATPGAA 필름(C)	(C)/(B)×100	(C)/(A)×100
0.309	0.059±0.021	0.067±0.033	0.014±0.001	21.537	24.392
0.384	0.101±0.001	0.124±0.008	0.054±0.003	43.312	53.339
0.514	0.265±0.001	0.515±0.031	0.454±0.016	88.244	171.313
0.610	0.257±0.001	0.350±0.014	0.379±0.023	108.199	147.404
0.731	0.258±0.010	0.487±0.024	0.580±0.041	119.002	224.829
0.879	0.260±0.021	1.033±0.084	0.847±0.063	81.938	325.097

ATPGAA와 PAPSS의 물질 선정과정 및 필름적용, 필름 제작 이후 필름 물성 및 흡습력 분석을 통하여 ATPGAA와 PAPSS는 실리카겔을 대체할 수 있는 우수한 수분 흡착제로 판단되며, 필름 제작에 적용할 때 포장 필름 물성 저하율 및 흡습력을 고려하여 중량대비 필름 제조를 위한 2% 흡습 물질의 첨가량은 제품의 포장재 기능을 가질 수 있는 것으로 나타났다. 또한 필름의 압출 제조 공정에서 PAPSS의 열분해로 인하여 PAPSS 흡습능력이 떨어진 것으로 평가되었으나, 부분적으로 발생한 것일 뿐 필름 전체 흡습능력의 상실은 없는 것으로 나타났다.

Claims

폴리에틸렌계 수지를 포함하여 이루어지며,
수분흡착제로 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, Polyacrylic acid partial sodium salt)을 조성물 총 중량의 1 내지 2 중량%로 포함하여 이루어지는 수분 흡착 포장필름용 수지 조성물.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌계 수지는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)인 것을 특징으로 하는 수분 흡착 포장필름용 수지 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌계 수지는 녹는점이 150 내지 180℃인 것을 특징으로 하는 수분 흡착 포장필름용 수지 조성물.
제 1항, 제 3항 및 제 4항 중 어느 한 항의 수지 조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 포장용 수분 흡착 필름.
폴리에틸렌계 수지 및 폴리아크릴산 부분 나트륨 염(PAPSS, Polyacrylic acid partial sodium salt)을 20 : 1 내지 20 : 6 중량비로 컴파운딩하여 펠렛을 제조하는 단계; 및
폴리아크릴산 부분 나트륨 염의 함량이 총 수지조성물의 1 내지 2중량%가 되도록 상기 펠렛에 상기 폴리에틸렌계 수지를 더 첨가하여 블로우 압출시키는 단계를 포함하는 포장용 수분 흡착 필름 제조방법.
삭제
제 6항에 있어서, 상기 폴리아크릴산 부분 나트륨 염의 입도가 100 내지 500메쉬인 것을 특징으로 하는 포장용 수분 흡착 필름 제조방법.