KR101591751B1 - 컬러 샤프심 제조용 가공 수지, 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 니트로 셀룰로오즈 수지 30~40중량%, 액상 아크릴 수지 1~10중량%, 식물성 가소제 30~45중량%, 및 잔량의 용제를 포함하는 칼라 샤프심 제조용 가공 수지와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 우수한 물성을 가지면서도 90℃ 이상에서는 폭발위험성이 있는 니트로 셀룰로오즈 수지의 이러한 문제를 열을 가하지 않고 자연 숙성시키는 방법으로 폭발위험성이 전혀 없는 가공 수지를 제조할 수 있게 되었다. 또한, 본 발명에서는 가공 수지 제조시 환경친화적인 식물성 가소제를 사용함으로써 인체에 무해한 샤프심의 제조가 가능하도록 함으로써, 어린 아이들이 안심하게 사용할 수 있도록 하였다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 가공수지를 사용하는 경우, 가공수지의 접착력과 경화속도 조절이 용이하여 칼라 샤프심 제조시 작업성을 효과적으로 개선할 수 있다.

Description

컬러 샤프심 제조용 가공 수지, 및 이의 제조방법{Artificial resin for color sharp pencil lead, and method for preparing thereof}

본 발명은 컬러 샤프심 제조에 사용되는 겔 상태의 가공 수지와 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 샤프심은 흑색을 띄는 흑연으로 만들어져서 흑색 밖에는 나타낼 수가 없었으므로 잉크를 사용하는 볼펜과 같이 다양한 색상을 표현할 없다는 단점이 있었다.

따라서 여러가지 색상으로 다양하게 표시를 하려면 부득이 볼펜을 사용하는 수밖에 없었으나 볼펜을 사용할 경우 지우개로 완전히 지울 수가 없고 단지 백색 페인트가 도포된 콜렉션 테이프를 이용하여 글자위를 덧씌우는 방법으로 지우고 있으므로 용지가 청결하지 못하고 지저분하게되는 결점이 있었다.

한편, 컴퓨터와 프린터의 대중화로 인하여 샤프펜슬의 용도는 필기구에서 체크펜슬 시대로 옮겨 가고 있다.

따라서 체크펜슬(check pencil)로서 보다 눈에 잘 띄게 하고 그 기능을 강화하기 위하여 샤프심으로도 다양한 칼라를 표현하게 되는 것이 요구되고 있다. 또한, 생산성 및 안전성이 보장될 것과 대량생산성이 요구된다.

이러한 컬러 사프심은 기본적으로 원재료인 안료가 사용되고, 상기 안료의 접착제로 쓰이는 가공수지가 포함된다.

상기 가공 수지는 안료의 접착제로 사용되는 것이므로, 접착력이 좋고, 연성이 양호하며 경화속도가 적절하여 가공과 작업성이 뛰어나야 한다. 또한, 상기 가공 수지는 색도와 관련되는 마모성, 휨 강도, 탄성도, 및 필기감 등의 물성에 영향을 미치므로, 이러한 물성을 확보할 수 있도록 하는 것이 중요하다.

이러한 가공 수지는 고분자 수지에 용매, 가소제 및 기타첨가제를 첨가하여 제조된다.

현재 사용되고 있는 가공 수지는 폴리비닐클로라이드(PVC), 니트로셀룰로오즈(NC) 등이 있다.

그러나, 상기 PVC 고분자는 딱딱한 물성 때문에 최종 제조된 컬러 샤프심의 내마모성을 떨어뜨려 우수한 색도를 제공할 수 없는 문제가 있다.

또한, 상기 NC는 부드러운 수지로써 색도는 좋으나 점력이 부족하며 경화가 빠르고, 90℃ 이상 열처리 시 폭발 위험이 있는 비가소성 고분자 재료이다. 따라서, NC 수지는 60℃ 이하의 온도에서 작업해야 하는 문제점이 있기 때문에 작업 조건을 맞추는 것이 매우 까다롭고 위험한 실정이다.

한국공개특허 2014-0104797

이에 본 발명은 종래 컬러 샤프심 제조에 사용되는 가공수지, 특히 니트로 셀룰로즈 수지를 사용함에 있어 높은 폭발 위험성 등의 문제들을 해결 및 보완하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 본 발명은 컬러 샤프심 제조시의 폭발 위험성을 제거하고, 점도를 강화하여 작업성을 개선시킬 수 있으며, 안료의 접착제로 사용되는 것이므로, 접착력이 좋고, 연성이 양호한 가공수지를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 가공수지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 칼라 샤프심 제조용 가공 수지는 니트로 셀룰로오즈 수지, 액상 아크릴 수지, 식물성 가소제, 및 잔량의 용제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 칼라 샤프심 제조용 가공 수지는 니트로 셀룰로오즈 30~40중량%, 액상 아크릴 수지 1~10중량%, 식물성 가소제 30~45중량%, 및 잔량의 용제를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식물성 가소제는 캄파, 피마자유, 및 대두유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 2종을 30:70∼70:30중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 식물성 가소제는 캄파 30~90중량%, 피마자유 1~35중량%, 및 대두유 3~35중량%로 이루어지는 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 칼라 샤프심 제조용 가공 수지의 제조방법은 니트로 셀룰로즈 고분자, 액상 아크릴 수지, 식물성 가소제, 및 용제를 혼합시키는 단계, 상기 혼합물을 자연 숙성시키는 단계, 상기 자연 숙성시킨 혼합물을 상기 니트로 셀룰로즈 고분자를 용해시키는 단계; 및 상기 용해된 혼합물을 유지시켜 겔 상태로 제조하는 단계를 포함한다.

상기 자연 숙성은 1~30℃의 온도에서 24~72시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 용해는 5~20℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 겔 상태는 용해된 혼합물의 점도를 70~80시간 동안 유지시켜 이루어지는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 우수한 물성을 가지면서도 90℃ 이상에서는 폭발위험성이 있는 니트로 셀룰로오즈 수지의 이러한 문제를 열을 가하지 않고 자연숙성시키는 방법으로 폭발위험성이 전혀 없는 가공 수지를 제조할 수 있게 되었다.

또한, 본 발명에서는 가공 수지 제조시 환경친화적인 식물성 가소제를 사용함으로써 인체에 무해한 샤프심의 제조가 가능하도록 함으로써, 어린 아이들이 안심하게 사용할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 가공수지를 사용하는 경우, 가공수지의 접착력과 경화속도 조절이 용이하여 칼라 샤프심 제조시 작업성을 효과적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가공 수지는 색감이 종이에 잘 묻어날 수 있도록 마모성이 우수하며, 최상의 슬림력을 발휘하여 필감이 뛰어나며, 칼라 샤프심이 잘 부러지지 않도록 휨 강도가 뛰어나며, 칼라 샤프심이 잘 휘어져 사용이 용이하도록 탄성도가 우수한 효과를 가진다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 칼라 샤프심 제조에 사용되는 가공 수지와 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 종래 제조 과정에서 폭발위험성이 큰 NC 수지로 인해 작업 조건이 까다로운 샤프심 제조 공정의 문제 해결을 위해, 폭발 위험성이 없도록 미리 가공된 수지를 제조하고, 이를 샤프심 제조에 사용하도록 한다.

따라서, 본 발명의 명세서 전반에서 사용된 ‘가공 수지’는 상기 NC 수지에 다른 성분들을 첨가하여 가공시킨 수지를 포함하는 의미이다.

이를 위해 본 발명에 따른 가공 수지는 니트로 셀룰로오즈 수지, 액상 아크릴 수지, 식물성 가소제, 및 잔량의 용제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로는, 니트로 셀룰로오즈 30~40중량%, 액상 아크릴 수지 1~10중량%, 식물성 가소제 30~45중량%, 및 잔량의 용제를 포함할 수 있다.

상기 가공 수지에 포함되는 니트로 셀룰로오즈 수지는 마모성이 우수하여 샤프심의 색도 표현이 잘되고, 휨 강도가 뛰어난 특성이 있다. 그러나, 점력(연성)이 부족하여 샤프심 제조에 포함되는 안료와의 접착력이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 경화 속도가 너무 빨라서 작업성이 취약하다는 단점이 있다.

이에 본 발명에서는 샤프심에서 요구되는 마모성과 휨 강도를 유지하면서도, 상기 단점들을 보완하기 위하여 액상 아크릴 수지(Liquid acrylate, LAC)를 포함하도록 하였다. 본 발명에 따른 상기 ‘액상 아크릴 수지’는 아크릴 수지에 열을 가하여 용융시켜 액상을 띄도록 하거나, 물과 섞어 액상으로 만든 수지를 포함하는 의미한다.

상기 액상 아크릴 수지는 점력(연성)이 좋으므로 접착력이 우수하고, 슬림력이 좋아 필감이 뛰어나며, 텐션(탄성도)가 우수한 특징이 있다. 또한, 열을 가할 수 있어 액상화할 수 있고, 폭발위험성이 없어 고열에서 건조가 가능한 물질이며 액상이어서 가공수지의 경화를 지연시킬 수 있다.

따라서, 상기 니트로 셀룰로오즈 수지와 액상 아크릴 수지를 혼합 사용함으로써 휨 강도와 탄성을 유지하면서도 색도가 잘 묻어나오고 부드러움과 점력을 가지며, 작업성이 개선된 가공 수지의 제조가 가능한 효과를 가진다.

본 발명에서는 이러한 두 수지의 혼합에 따른 시너지 효과를 가지기 위해서는 상기 니트로 셀룰로오즈 수지는 30~40중량%, 액상 아크릴 수지는 1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 니트로 셀룰로오즈 수지가 30중량% 미만에서는 색도 표현이 부족하고, 휨 강도가 저하되는 문제가 있고, 또한, 40중량%를 초과하는 경우 휨 강도는 개선되나 경화속도 조절이 어려워 바람직하지 못하다. 상기 니트로 셀룰로오즈 수지의 종류는 특별히 한정되지 않고, 샤프심 제조시 포함되는 가공 수지에 사용되는 것이면 어느 것이나 무방하다.

또한, 액상 아크릴 수지의 함량이 1중량% 미만인 경우 그 첨가 효과가 없고, 10중량%를 초과하게 되면 탄성도는 좋아지나 마모도가 떨어지는 문제가 있다.

본 발명에 따른 가공 수지는 종래 샤프심 제조시 별도로 첨가되던 가소제를 미리 첨가하여 제조된 것이다. 이때 사용되는 가소제는 천연 재료로부터 유래된 식물성 가소제가 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 식물성 가소제는 캄파, 피마자유, 및 대두유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 2종 이상을 혼합 사용하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 상기 캄파, 피마자유, 및 대두유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 2종을 30:70∼70:30중량비로 혼합시켜 사용할 수 있다. 상기 혼합되는 2종의 가소제의 혼합 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우, 연성이나, 작업성 및 폭발위험성 감소율이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.

또한, 본 발명에서는 상기 3가지 가소제 중에서 선택되는 2종 이상을 혼합할 수 있으나, 상기 피마자유와 대두유는 그 특성이 유사한 관계로, 피마자유와 대두유 중에서 선택된 어느 하나를 상기 캄파와 혼합시키는 것이 더 바람직하다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 식물성 가소제는 캄파 30~90중량%, 피마자유 1~35중량%, 및 대두유 3~35중량%로 이루어지는 것일 수 있다.

상기 캄파의 함량이 30중량% 미만인 경우에는 다른 구성 성분의 함량이 높아져 미끄럽고 연성이 떨어져 고분자 수지와의 접착력이 떨어지며, 폭발위험성을 효과적으로 제어하지 못하는 문제가 있고, 90중량%를 초과하는 경우 가격경쟁력이 없어 바람직하지 못하다.

또한, 상기 피마자유와 대두유가 상기 범위를 미만인 경우 캄파의 함량이 너무 높아져 경화속도가 높아져 작업력이 떨어지는 문제가 있고, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우 점력이 떨어지기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명에 따른 가공 수지는 상기 니트로 셀룰로오즈 수지, 액상 아크릴 수지 및 식물성 가소제에 용매를 첨가한다. 상기 3가지의 조성을 소정의 함량대로 첨가하고, 잔량의 용매를 첨가하여 100중량%로 맞추어 사용할 수 있다. 상기 용매는 특별히 한정되지 않으나, 메틸에틸케톤이 바람직하게 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 칼라 샤프심 제조용 가공 수지의 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따른 가공 수지는 폭발위험성이 없도록 한 데 특징이 있다.

구체적으로는, 각 원료가 되는 니트로 셀룰로즈 수지, 액상 아크릴 수지, 식물성 가소제, 및 용제를 혼합시키는 단계, 상기 혼합물을 1~30℃의 온도에서 24~72시간 자연 숙성시키는 단계, 상기 자연 숙성시킨 혼합물을 5~20℃에서 상기 니트로 셀룰로즈 고분자를 용해시키는 단계, 및 상기 용해된 혼합물의 점도를 70~80시간 동안 유지시켜 겔 상태로 제조하는 단계를 거친다.

먼저, 첫 번째 단계는 가공 수지에 포함되는 각 원료들을 상기 기술한 소정의 함량대로 혼합시키는 단계이다. 혼합시키는 방법은 특별히 한정되지 않고, 통상의 방법으로 수행될 수 있다.

상기 혼합된 원료 중 니트로 셀룰로오즈 수지는 90℃ 이상에서는 폭발하는 성질이 있기 때문에 상기 혼합 원료를 가열시키는 것은 매우 위험하다. 따라서, 본 발명에서는 상기 혼합물을 1~30℃의 상온에서 24~72시간 자연 숙성시키는 단계를 거친다. 상기 온도에서 자연적으로 숙성시키는 것이므로, 니트로 셀룰로오즈 수지의 폭발위험성을 제거할 수 있는 효과를 가진다. 숙성 조건은 상온의 근처에서 충분한 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하나, 72시간을 초과하게 되면 발명에이 떨어지기 때문에 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 자연 숙성 온도가 1℃ 미만으로 너무 낮게 되면 다시 해동시켜야 되는 문제가 있고, 30℃를 초과하지 않도록 하여 폭발 위험성을 최소화시키는 것이 바람직하다.

상기 자연 숙성된 혼합물을 5~20℃의 온도에서 상기 니트로 셀룰로즈 고분자를 용해시키는 단계를 거친다. 상기 온도에서 니트로 셀룰로오즈 고분자는 용제인 메틸에틸케톤에 충분히 용해되도록 한다. 상기 용해시간은 10~30시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용해된 혼합물은 그 점도를 70~80시간 동안 유지시켜 겔 상태로 제조하는 단계를 거친다. 본 발명에서는 폭발위험성이 없으면서도, 차후 샤프심 제조시 첨가되는 가공 안료와의 충분한 혼합이 가능하도록 겔 상태의 가공 수지를 제조를 위해 상기 용해된 혼합물의 점도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 ‘겔 상태’ 라는 의미는 분말 상태의 가공 안료를 충분히 분산시킬 수 있는 정도의 흐름성을 가지는 상태를 포함하며, 그 점도가 특별히 한정되는 것은 아니다.

상기 겔 상태의 가공 수지는 밀봉시킨 후 냉장 보관하면서, 필요시마다 꺼내어 사용할 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

실시예 : 가공 수지 제조

다음 표 1의 조성에 따라, 니트로 셀룰로오즈 수지, 액상 아크릴 수지, 식물성 가소제, 및 메틸에틸케톤 용매를 혼합시켰다. 상기 혼합된 재료를 포트에 넣고, 24시간 동안 15℃에서 자연 숙성시켰다. 상기 자연 숙성시킨 혼합물을 10℃에서 24시간 동안 유지하여 상기 니트로 셀룰로오즈 수지를 용해시켰다. 그 다음, 상기 용해시의 점도를 그대로 유지하면서 72시간 동안 보존시켜 겔 상태의 가공 수지를 얻었다. 상기 얻어진 가공 수지를 밀봉하여 냉장고에 넣어 보관하였다.

함량(중량%)		실시예			비교예
		1	2	3	1	2	3
니트로 셀룰로이즈		30	36.5	40	20.5	45	60
액상 아크릴 수지		5.5	8.5	3	15	5	-
식물성 가소제	캄파	12.9	26.4	23.1	32	10	20*
	피마자유	20.1	1.2	6.6	8	10
	대두유	30	2.4	3.3	-	10
용매(메틸에틸케론)		21.5	25.5	24	24.5	20	20
*은 종래 사용하던 화학 가소제인 DBP를 사용하고, 종래와 같이 가열 조건에서 제조한 것임

실험예 : 물성 측정

상기 실시예 및 제조예에 따라 제조된 가공 수지의 물성을 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

1)접착력

상기 제조된 가공 수지를 안료에 혼합할 때의 접착 정도를 상중하로 평가하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다. 상기 가공 수지와 안료가 접착이 잘 되어 10분 이상 유지하는 경우 상, 10분 경과시 50% 이상 떨어지는 경우 중, 10분 경과시 완전히 분리되는 경우를 하로 평가하였다.

2)작업성

상기 제조된 가공 수지를 이용하여 작업할 때의 작업성 정도를 평가하였으며, 시판되고 있는 합성 가공 수지의 작업성을 100으로 기준으로 하여 상대적인 값으로 평가하였다.

3)폭발가능성

가공 수지 제조시 폭발되는지의 여부를 측정하였다.

4)휨 강도 측정

휨 강도는 부러질 때까지의 버팀력(휘게 하거나 구부러질 때 외력에 견디는 힘)을 의미하며, 현재 칼라심에 대한 국제 및 국내 기준은 없는 상태이고, 흑심의 경우 국제 기준(일본 JS)은 10,000∼15,000이고, 국내 기준(KS)은 8,000∼10,000이다.

본 발명에서는 표준화된 휨강도 측정기를 이용하여 다음 수학식 1에 따라 휨 강도를 측정하였다. 본 발명에서는 상기 가공 수지를 이용하여 제조된 칼라 샤프심을 휨 강도 측정에 이용하였다.

(수학식 1)

상기 식에서, F는 휨 강도, P는 하중, L은 양자간 거리, D는 심의 지름이다.

시료	접착력	작업성	폭발가능성	휨 강도
실시예 1	상	상	X	100
실시예 2	상	상	X	90
실시예 3	상	상	X	95
비교예 1	중	하	X	60
비교예 2	하	하	X	79
비교예 3	상	하	○	60

상기 표 2의 결과를 참조하면, 본 발명과 같이 니트로 셀룰로오즈 수지에 액상 아크릴 수지를 첨가하고, 식물성 가소제를 사용하여 자연 숙성 과정으로 제조된 가공 수지는 접착력, 작업성, 및 휨 강도가 우수한 효과를 가짐을 확인하였다. 또한, 종래 화학 가소제를 사용하여 니트로 셀룰로오즈 수지를 이용하여 가공 수지를 제조함에 따른 비교예 3과 같은 폭발가능성 문제도 자연 숙성 과정을 통하여 완벽하게 해결할 수 있었다.

그러나, 비교예 1과 같이 니트로 셀룰로오즈 수지 함량이 너무 많거나, 액상 아크릴 수지의 함량이 너무 많은 경우 경화속도 조절이 어려워 작업성이 매우 떨어지는 것으로 확인되었다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 니트로 셀룰로오즈 수지, 액상 아크릴 수지,식물성 가소제는 캄파 30~90중량%, 피마자유 1~35중량%, 및 대두유 3~35중량%로 이루어지고, 잔량의 용제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 샤프심 제조용 가공 수지.
5. 니트로 셀룰로즈 고분자, 액상 아크릴 수지, 식물성 가소제, 및 용제를 혼합시키는 단계,
   상기 혼합물을 자연 숙성시키는 단계,
   상기 자연 숙성시킨 혼합물을 상기 니트로 셀룰로즈 고분자를 용해시키는 단계; 및
   상기 용해된 혼합물을 유지시켜 겔 상태로 제조하는 단계를 포함하는 컬러 샤프심 제조용 가공 수지 제조 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 자연 숙성은 1~30℃의 온도에서 24~72시간 동안 이루어지는 것인 컬러 샤프심 제조용 가공 수지 제조 방법.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 용해는 5~20℃에서 이루어지는 것인 컬러 샤프심 제조용 가공 수지 제조 방법.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 겔 상태는 용해된 혼합물의 점도를 70~80시간 동안 유지시키면서 이루어진 것인 컬러 샤프심 제조용 가공 수지 제조 방법.