KR101986733B1 - 기체차단성 수지 조성물 및 이를 이용한 기체차단성 용기 - Google Patents

기체차단성 수지 조성물 및 이를 이용한 기체차단성 용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리프로필렌(polypropylene), 나노 클레이(nano clay) 및 스테아르산 아연(zinc stearate)을 포함하는 기체차단성 수지 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물은 폴리프로필렌에 나노 클레이를 분산시켜 기체차단성을 향상시키려고 할 때, 나노 클레이의 분산성을 향상시키는 계면활성제를 포함하여 폴리프로필렌의 자유 체적에 나노 클레이를 분산시킴으로써 산소를 포함한 기체의 투과를 차단하는 효과가 있다.

Description

기체차단성 수지 조성물 및 이를 이용한 기체차단성 용기{Gas barrier resin composition and gas barrier container using the same}
본 발명은 기체차단성 수지 조성물 및 이를 이용한 기체차단성 용기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체를 차단할 수 있는 기능을 가진 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조한 기체차단성 용기에 관한 것이다.
폴리프로필렌(polypropylene, PP)은 5대 범용 고분자 중 하나로써, 식품포장, 섬유, 파이프, 자동차 등 산업 각계에서 사용된다. 비교적 우수한 기계적 물성, 저렴한 가격, 낮은 수분 투과율, 내열성 및 내약품성으로 인해 식품 포장 재료로써 널리 쓰이고 있으나, 그 분자 구조로 인해 산소투과도가 높아 식품 보존능력에 대한 개선이 요구되고 있다.
고분자를 투과하는 기체는 고분자 표면에서 응축하여 그 속으로 용해된 후, 고분자 사슬간의 간격을 통해 기체의 확산으로 투과되어 방출된다. 즉, 기체차단성을 향상시키기 위해서는 자유 체적(free volume)을 줄이거나, 고분자 사슬간 응집력 에너지 밀도가 높은 고분자 구조, 높은 결정화도, 고분자 사슬 사이의 간격을 메울 수 있는 부가사슬 레디컬(radical)을 가지는 고분자 사슬, 밀도가 높은 가교구조, 수소결합 또는 극성기의 존재 중 하나의 방법을 사용할 수 있다.
이러한 방법들 가운데 무기물인 나노 클레이(nano clay)를 필러로 첨가하여 자유 체적을 줄임으로써 고분자 내에 자유 체적 및 산소와 같은 기체의 출입을 지연시킬 수 있다.
하지만, 극성(polar)에 친수성(hydrophilic)을 띄는 나노 클레이는 비극성(non-polar)에 소수성(hydrophobic)을 띄는 폴리프로필렌의 내부에서 분산성이 떨어지며, 계면에 의해 석출되어 나오는 등의 다양한 문제점을 나타내고 있다.
따라서, 폴리프로필렌 내부에 나노 클레이를 혼합시킬 때, 분산성을 향상시켜 기체차단성이 우수한 수지 조성물을 형성하는 연구가 절실한 실정이다.
한국등록특허 제10-1064815호 한국등록특허 제10-1495783호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 폴리프로필렌 내부에 분산되는 나노 클레이의 분산성을 향상시키는 수지 조성물을 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 폴리프로필렌(polypropylene), 나노 클레이(nano clay) 및 스테아르산 아연(zinc stearate)을 포함하는 기체차단성 수지 조성물을 제공한다.
또한, 상기 나노 클레이는 몬모릴로나이트(montmorillonite)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노 클레이는 25 내지 30 wt%의 메틸 디하이드록시에틸 수소화 수지 암모늄(Methyl dihydroxyethyl hydrogenated tallow ammonium) 및 70 내지 75 wt%의 몬모릴로나이트로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수지 조성물은, 상기 폴리프로필렌 60 내지 98 wt% 및 상기 나노 클레이 2 내지 40 wt%를 포함하는 혼합물에 있어서, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 상기 스테아르산 아연 1.25 내지 2.5 중량부가 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 수지 조성물을 이용하여 제조된 기체차단성 용기를 제공한다.
아울러, 상기 기체차단성 용기는 인 몰드 라벨링(In Mold Labeling) 방식으로 성형 및 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물은 폴리프로필렌에 나노 클레이를 분산시켜 기체차단성을 향상시키려고 할 때, 나노 클레이의 분산성을 향상시키는 분산제를 포함하여 폴리프로필렌의 자유 체적에 나노 클레이를 분산시킴으로써 산소를 포함한 기체의 투과를 차단하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기체차단성 수지 조성물을 용기로 제조하여 밀폐효과가 우수한 용기를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기체차단성 수지 조성물을 인 몰드 라벨링 방식으로 용기를 성형하여, 용기 성형과 동시에 용기 외부에 라벨을 형성시킴으로써 기체차단성의 향상과 동시에 용기의 외부 디자인이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물의 산소차단 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물로 제조된 기체차단성 용기의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물을 인 몰드 라벨링으로 제조한 기체차단성 라벨 용기의 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물 실시예의 산소투과도를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물 실시예의 인장강도를 측정한 그래프이다.
도 6 내지 도 7은 비교예 1-1(시료명 : PP)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경시험연구원의 시험성적서이다.
도 8 내지 도 9는 실시예 2-1(시료명 : PP+NC)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경시험연구원의 시험성적서이다.
도 10 내지 도 11은 비교예 1-2(시료명 : 식품용기 A)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경험연구원의 시험성적서이다.
도 12 내지 도 13은 실시예 2-2(시료명 : 식품용기 B)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경험연구원의 시험성적서이다.
도 14 내지 도 15는 비교예 1-1(시료명 : 포장재 A), 실시예 2-1(시료명 : 포장재 B) 및 실시예 2-2(시료명 : 포장재 C)의 품질한계일 산출 결과를 나타낸 한국첨단시험연구원의 실험 결과보고서이다.
도 16 내지 도 18은 비교예 1-1(시료명 : original) 및 실시예 2-1(시료명 : modified)의 한국섬유개발연구원의 낙추시험 시험성적서이다.
도 19 내지 도 20은 실시예 2-1(시료명 : NC01)의 용출시험에 대한 한국건설생활환경시험연구원의 시험성적서이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명은 폴리프로필렌(polypropylene), 나노 클레이(nano clay) 및 스테아르산 아연(zinc stearate)을 포함하는 기체차단성 수지 조성물을 제공한다.
본 발명에서 폴리프로필렌은 매트릭스(matrix) 역할을 한다.
폴리프로필렌(polypropylene, PP)은 5대 범용 고분자 중 하나로써, 식품포장, 섬유, 파이프, 자동차 등 산업 각계에서 사용된다. 비교적 우수한 기계적 물성, 저렴한 가격, 낮은 수분 투과율, 내열성 및 내약품성으로 인해 식품 포장 재료로써 널리 쓰이고 있다.
본 발명에서는 이러한 폴리프로필렌을 매트릭스로 사용하여 후술할 나노 클레이를 분산시킨 수지 조성물을 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리프로필렌은 용융지수(Melt Index, M.I.)가 20 내지 30 g/10min 사이인 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 28 g/10min인 것을 사용할 수 있다. 이는, 용융지수가 20 g/10min 이하인 것은 나노 클레이를 필러로 첨가할 때 수지가 점도가 높아 분산이 잘 안되며, 30 g/10min 이상인 것은 나노 클레이의 분산 시 나노 클레이끼리의 뭉침(aggregation) 현상이 발생할 수 있다.
또한, 성형 시 인장항복강도(Tensile Strength at Yield)는 200 내지 250 kg/cm2 인 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 210 kg/cm2 인 것을 사용할 수 있다. 이는 200 kg/cm2 이하인 것은 용기로 성형되어 소비자가 사용할 때 쉽게 변형되는 단점이 있으며, 250 kg/cm2 이상인 것은 용기로 성형되었을 때 충격 강도가 약해 쉽게 깨질 수 있는 문제점을 가지고 있으므로 이 범위 내의 폴리프로필렌을 사용 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 나노 클레이는 폴리프로필렌 내부에서 기체의 이동을 방해하는 필러(filler) 역할을 한다.
도 1은 본 발명에서의 폴리프로필렌 내부에 분산된 나노 클레이의 역할을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참고하여 설명하면, 나노 클레이는 폴리프로필렌의 내부에 분산된 층의 형태(Dispersed layer)로 형성되며, 폴리프로필렌이 가지고 있는 자유 체적(free volume)의 틈을 메워 기체가 이동할 수 있는 통로(Path of Gas)를 복잡하게 함으로써, 기체의 투과를 지연 또는 저지(Retardation)하여 차단과 유사 또는 동일한 효과를 나타낸다.
본 발명에서의 나노 클레이는 공지된 다양한 나노 사이즈의 클레이를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 사용할 수 있다. 몬모릴로나이트는 자연에 풍부하게 존재하여 저렴한 비용으로 사용할 수 있으며, 높은 종횡비(aspect raito)를 가지고 있다. 나노 사이즈의 몬모릴로나이트를 필러로 사용하여 폴리프로필렌 내에서 분산시키면, 폴리프로필렌의 자유 체적을 충실히 메꿀 수 있어 기체차단성이 향상될 수 있다.
본 발명에서 몬모릴로나이트는 20 ㎛이하의 사이즈를 가지는 클레이를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 900 ㎚이하의 사이즈를 가지는 나노 클레이를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 나노 클레이는 25 내지 30 wt%의 메틸 디하이드록시에틸 수소화 수지 암모늄(Methyl dihydroxyethyl hydrogenated tallow ammonium) 및 70 내지 75 wt%의 몬모릴로나이트로 구성될 수 있다.
메틸 디하이드록시 에틸 수소화 수지 암모늄은 계면활성제의 역할을 하며, 몬모릴로나이트와 폴리프로필렌 사이의 계면에 작용을 한다.
본 발명에서 스테아르산 아연은 분산제 또는 계면활성제의 역할을 한다.
스테아르산 아연은 극성(polar)에 친수성(hydrophilic)을 띄는 나노 클레이를 비극성(non-polar)에 소수성(hydrophobic)을 띄는 폴리프로필렌의 내부에 혼합시키기 위하여 분산제 또는 계면활성제로서 첨가된다.
스테아르산 아연의 아연과 결합된 산소는 극성 및 친수성인 나노 클레이 표면에 결합되고, 스테아르산 아연의 지방산 부분이 소수성을 나타내도록 나노 클레이 표면이 개질되어 비극성 및 소수성인 폴리프로필렌 내부에서 분산이 용이하도록 할 수 있다.
본 발명에서는 폴리프로필렌 60 내지 98 wt% 및 상기 나노 클레이 2 내지 40 wt%를 포함하는 혼합물에 있어서, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 상기 스테아르산 아연 1.25 내지 2.5 중량부가 포함되는 수지 조성물을 형성할 수 있다.
폴리프로필렌을 60 wt% 이하, 나노 클레이를 40 wt%이상으로 포함시키면, 나노 클레이의 함량이 많아져 수지 조성물의 제품 성형성이 저하되고, 인장강도가 낮아져 제품을 성형 할 수 없으며, 폴리프로필렌을 98 wt% 이상, 나노 클레이를 2wt% 이하로 포함시키면, 나노 클레이의 함량이 적어 기체차단성의 효과가 제대로 나타나지 않는다.
또한, 상기한 범위로 폴리프로필렌과 나노 클레이를 혼합한 혼합물 100 중량부를 기준으로 스테아르산 아연을 1.25 내지 2.5 중량부를 포함시킬 수 있다.
일례로, 폴리프로필렌 60 wt% 및 나노 클레이 40 wt%인 혼합물에서 이러한 혼합물의 100 중량부를 기준으로 스테아르산 아연을 1.25 내지 2.5 중량부를 포함시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 방법을 이용하여 기체차단성 수지 조성물을 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상기한 방법으로 제조된 수지 조성물을 이용하여 기체 차단성 용기를 제조할 수 있다.
상기한 바와 같이, 기체차단성 수지 조성물은 폴리프로필렌, 나노 클레이 및 스테아르산 아연을 포함하여 제조된다. 또한, 이러한 수지 조성물을 컴파운딩(compounding)하여 사출성형(injection moling)을 통해 기체차단성을 가지는 용기를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물을 이용하여 제조된 기체차단성 용기의 사진이다.
도 2를 참고하여 설명하면, 기체차단성 수지 조성물을 공지된 다양한 성형 방법을 통해 용기 통과 용기 뚜껑을 제조하여 결합함으로써 기체차단성 용기를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 기체차단성 용기를 제조한 후, 표면에 미리 디자인 된 라벨 또는 필름을 붙여 포장하는 방법을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 기체차단성 수지 조성물을 인 몰드 라벨링(In Mold Labeling) 방식으로 기체차단성 라벨 용기를 성형 및 제조할 수 있다.
인 몰드 라벨링은 종래의 사출 성형과 공정이 비슷하지만, 사출되는 몰드에 라벨을 미리 위치시키고 그 위에 수지를 사출하여 성형함으로써, 기존의 사출 성형 후 라벨을 붙이는 것에 비해 라벨링 시간이 짧고, 사출품과 라벨 간의 접착력이 좋다는 장점을 가지고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물을 이용하여 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 기체차단성 라벨 용기의 사진이다.
도 3을 참고하여 설명하면, 본 발명에서의 기체차단성 라벨 용기는 인 몰드 라벨링을 통해 기체차단성 수지를 라벨 위에 사출하여 기체차단성 라벨 용기로 제조할 수 있으며, 또한, 라벨 자체에 기체차단성을 가지는 필름을 사용하여 인 몰드 라벨링 방식을 통해 기체차단성이 향상된 라벨 용기를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물은 폴리프로필렌에 나노 클레이를 분산시켜 기체차단성을 향상시키려고 할 때, 나노 클레이의 분산성을 향상시키는 계면활성제를 포함하여 폴리프로필렌의 자유 체적에 나노 클레이를 분산시킴으로써 산소를 포함한 기체의 투과를 차단하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기체차단성 수지 조성물을 용기로 제조하여 밀폐효과를 향상시켜 내부에 담기는 물질에 대한 기밀 효과를 가지는 용기를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기체차단성 수지 조성물을 인 몰드 라벨링 방식으로 용기를 성형하여, 용기 자체뿐만 아니라 기체차단성을 가지는 필름이 외부에 형성되는 용기를 제조함으로써 기체차단성이 향상됨과 동시에 용기의 외부 디자인이 가능한 효과가 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예 및 실험예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
<실시예 1>
(1) 기체차단성 수지 조성물 제조
폴리프로필렌(polypropylene) 95 wt% 및 나노 클레이가 5 wt%의 비율로 포함되도록 폴리프로필렌 380 g과 메틸 디하이드록시 에틸 수소화 수지 암모늄(Methyl dihydroxyethyl hydrogenated tallow ammonium)이 25 wt% 및 몬모릴로나이트(montmorillonite) 75 wt%가 포함된 나노 클레이를 20 g에, 분산제인 스테아르산 아연(zinc stearate)을 10 g 넣고 혼합시켜 기체차단성 수지 조성물을 제조하였다.
(2) 실험 샘플 제조
상기 제조된 기체차단성 수지 조성물을 이축압출기(twin screw extruder)를 사용하여 170 내지 180 ℃의 온도에서 컴파운딩을 한다. 이후, 실험 샘플 제조를 위해 컴프레션 몰딩(compression molding) 방식으로 7분 동안 170 ℃, 10MPa 조건으로 나노 클레이가 5 wt% 포함된 샘플 필름을 제조하였다.
<실시예 2>
(1) 기체차단성 수지 조성물 제조
폴리프로필렌 90 wt% 및 나노 클레이가 10 wt%의 비율로 포함되도록 폴리프로필렌 360 g 및 나노 클레이 40 g에 스테아르산 아연 10 g을 혼합하여 기체차단성 수지 조성물을 제조하였다.
(2) 실험 샘플 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실험 샘플인 나노 클레이가 10 wt% 포함된 샘플 필름을 제조하였다.
<실시예 2-1>
실시예 2의 기체차단성 수지 조성물을 이용하여 사출성형으로 나노 클레이가 10 wt% 포함된 기체차단성 용기를 제조하였다.
<실시예 2-2>
실시예 2의 기체차단성 수지 조성물을 이용하여 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 나노 클레이가 10 wt% 포함된 기체차단성 라벨 용기를 제조하였다.
<실시예 3>
(1) 기체차단성 수지 조성물 제조
폴리프로필렌 85 wt% 및 나노 클레이가 15 wt%의 비율로 포함되도록 폴리프로필렌 340 g 및 나노 클레이 60 g에 스테아르산 아연 10 g을 혼합하여 기체차단성 수지 조성물을 제조하였다.
(2) 실험 샘플 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실험 샘플인 나노 클레이가 15 wt% 포함된 샘플 필름을 제조하였다.
<실시예 4>
(1) 기체차단성 수지 조성물 제조
폴리프로필렌 80 wt% 및 나노 클레이가 20 wt%의 비율로 포함되도록 폴리프로필렌 320 g, 나노 클레이 80 g에 스테아르산 아연 10 g을 혼합하여 기체차단성 수지 조성물을 제조하였다.
(2) 실험 샘플 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실험 샘플인 나노 클레이가 20 wt% 포함된 샘플 필름을 제조하였다.
<실시예 5>
(1) 기체차단성 수지 조성물 제조
폴리프로필렌 70 wt% 및 나노 클레이가 30 wt%의 비율로 포함되도록 폴리프로필렌 280 g 및 나노 클레이 120 g에 스테아르산 아연 10 g을 혼합하여 기체차단성 수지 조성물을 제조하였다.
(2) 실험 샘플 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실험 샘플인 나노 클레이가 30 wt% 포함된 샘플 필름을 제조하였다.
<실시예 6>
(1) 기체차단성 수지 조성물 제조
폴리프로필렌 60 wt% 및 나노 클레이가 40 wt%의 비율로 포함되도록 폴리프로필렌 240 g 및 나노 클레이 160 g에 스테아르산 아연 10 g을 혼합하여 기체차단성 수지 조성물을 제조하였다.
(2) 실험 샘플 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 실험 샘플인 나노 클레이가 40 wt% 포함된 샘플 필름을 제조하였다.
<비교예 1>
폴리프로필렌 400 g을 실시예 1과 동일한 방법으로 실험 샘플인 나노 클레이가 포함되지 않은(0 wt%) 샘플 필름을 제조하였다.
<비교예 1-1>
폴리프로필렌 400 g을 사출성형으로 용기를 제조하였다.
<비교예 1-2>
폴리프로필렌 400 g을 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 라벨 용기를 제조하였다.(라벨은 실시예 2-2와 동일한 것을 사용하였다.)
<실험예 1> 산소투과도(Oxygen Transmittance Rate) 분석
제조된 실험 샘플 필름의 산소투과도를 확인하기 위해 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 산소투과도를 분석하였다.
산소투과도는 산소투과도 측정기 (Oxygen Transmission Rate Tester, Mocon Corp., OX-TRAN 2/21)로 측정하였으며, ASTM D3985 규격에 따라 측정하였다.
도 4는 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물로 제조한 실험 샘플인 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 산소투과도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 나노 클레이가 전혀 들어가지 않은 0 wt%의 비교예 1이 가장 높은 산소 투과도인 175.7 cc/m2·day를 나타내었고, 실시예 1(나노 클레이 함량 5 wt%)의 경우, 158.7 cc/m2·day, 실시예 2(10 wt%)는 139.1 cc/m2·day, 실시예 3(15 wt%)은 139.2 cc/m2·day, 실시예 4(20 wt%)는 135.5 cc/m2·day, 실시예 5(30 wt%)는 130.7 cc/m2·day, 실시예 6(40 wt%)은 122.5 cc/m2·day를 나타내었다.
도 4에 나타난 산소투과도 실험 결과에서 알 수 있듯이, 나노 클레이의 함량이 많을수록 산소투과도는 낮아지나, 나노 클레이 함량이 10wt%(실시예 2)가 넘을수록 산소투과도의 하락 정도가 낮아짐을 알 수 있다. 따라서, 실시예 2(10 wt%)가 투입되는 나노 클레이 대비 산소투과도 저하 정도가 가장 이상적이라 판단하였다.
<실험예 2> 인장강도(Tensile Strength) 분석
제조된 실험 샘플 필름의 인장강도를 확인하기 위해 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 인장강도를 분석하였다.
인장강도는 UTM(Instron Corp., INSTRON 4465)을 ASTM D882 규격에 따라 최소 5개 이상의 샘플을 가지고 측정하였다.
도 5는 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물로 제조한 실험 샘플인 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 인장강도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 나노 클레이가 전혀 들어가지 않은 0 wt%의 비교예 1이 34.6 MPa을 나타내었고, 실시예로 기재하지는 않았으나, 나노 클레이가 2wt% 포함된 실험결과가 36.6 MPa, 실시예 1(나노 클레이 함량 5 wt%)의 경우, 31.1 MPa, 실시예 2(10 wt%)는 34.5 MPa, 실시예 3(15 wt%)은 26.1 MPa, 실시예 4(20 wt%)는 25.0 MPa, 실시예 5(30 wt%)는 16.2 MPa, 실시예 6(40 wt%)은 13.7 MPa를 나타내었다.
도 5에 나타난 인장강도 실험 결과에서 알 수 있듯이, 나노 클레이의 함량이 많을수록 인장강도는 낮아지며, 특히, 산소투과도와 마찬가지로, 나노 클레이의 함량이 10 wt%(실시예 2)를 넘을수록 인장강도의 저하가 급속히 이루어지는 것을 알 수 있었다.
따라서, 나노 클레이의 투입 대비 산소투과도 및 인장강도에서 좋은 실험 결과를 나타낸 실시예 2의 기체 차단성 수지 조성물을 사출성형으로 제조한 기체차단성 용기(실시예 2-1) 및 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 기체차단성 라벨 용기(실시예 2-2)를 제조하고, 비교예로서, 폴리프로필렌으로만 제조된 용기(비교예 1-1) 및 라벨 용기(비교예 1-2)를 사용하여 산소 투과도를 분석하였다.
<실험예 3> 용기 형태의 산소투과도 분석
제조된 용기 및 라벨 용기의 산소투과도를 확인하기 위해 실시예 2-1, 실시예 2-2, 비교예 1-1 및 비교예 1-2의 산소투과도를 분석하였다.
본 용기 형태의 산소투과도 시험은 ASTM F 1307-14 Method를 통해 측정하였다.
도 6 내지 도 7은 나노 클레이가 포함되지 않는 폴리프로필렌을 사출성형하여 제조된 용기(PP)인 비교예 1-1(시료명 : PP)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경시험연구원의 시험성적서이다.
도 6 내지 도 7을 참고하면, 비교예 1-1의 산소투과도는 1.1 cm2/(pkg·day)을 나타내었다.
도 8 내지 도 9는 나노 클레이가 10 wt% 포함된 실시예 2의 기체차단성 수지 조성물을 이용하여 사출성형한 용기인 실시예 2-1(시료명 : PP+NC)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경시험연구원의 시험성적서이다.
도 8 내지 도 9을 참고하면, 실시예 2-1의 산소투과도는 0.9 cm2/(pkg·day)을 나타내었다.
도 10 내지 도 11은 나노 클레이가 포함되지 않는 폴리프로필렌을 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 용기인 비교예 1-2(시료명 : 식품용기 A)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경험연구원의 시험성적서이다.
도 10 내지 도 11을 참고하면, 비교예 1-2의 산소투과도는 0.1 cm2/(pkg·day)을 나타내었다.
도 12 내지 도 13은 나노 클레이가 10 wt% 포함된 실시예 2의 기체차단성 수지 조성물을 이용하여 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 용기인 실시예 2-2(시료명 : 식품용기 B)의 산소투과도에 대한 한국건설생활환경험연구원의 시험성적서이다.
도 12 내지 도 13을 참고하면, 실시예 2-2의 산소투과도는 0.06 cm2/(pkg·day)을 나타내었다.
상술한 바와 같이, 나노 클레이를 포함하지 않는 폴리프로필렌으로 제조한 용기(비교예 1-1) 및 라벨 용기(비교예 1-2)는 각각 1.1 cm2/(pkg·day) 및 0.1 cm2/(pkg·day)의 산소투과도를 나타내는 반면, 나노 클레이가 10 wt% 포함된 실시예 2의 기체차단성 수지 조성물로 제조된 기체차단성 용기(실시예 2-1) 및 기체차단성 라벨 용기(실시예 2-2)는 각각 0.9 cm2/(pkg·day) 및 0.06 cm2/(pkg·day)의 산소투과도를 나타내어 비교예에 비해 더 낮은 산소투과도를 나타내는 것을 알 수 있다.
<실험예 4> 식품용기 유통기한 설정 시험
제조된 용기의 식품용기로서의 성능을 평가하기 위하여 식품을 담아 유통기한을 확인하는 유통기한 설정 시험을 수행하였다.
본 실험은 한국 식품의약품안전처의 식품 및 식품첨가물 공전, 식품 및 축산물의 유통기한 설정 실험 가이드라인 (2015.12, 11-1471000-00032-01) 및 식품, 식품첨가물 및 건강기능식품의 유통기한 설정기준 (2016.08.23., 식약처 고시 제2016-85호)를 근거로 공인기관인 한국첨단시험연구원에 의뢰하여 시험을 시행하였다.
본 시험은 유통기한 설정 시험 방법으로, 기존 유통기한이 1일(24시간)로 설정된 빵류(프레즐)에 대하여 제품의 포장재질 및 포장방법 변경에 따른 유통기한의 변화도를 총 4가지 방법으로 측정 및 평가하였다.
본 실험은 나노 클레이를 포함하지 않는 폴리프로필렌으로 제조된 용기(비교예 1-1, 시료명 : 포장재 A), 나노 클레이를 10 wt% 포함하는 기체차단성 수지 조성물로 제조된 기체차단성 용기(실시예 2-1, 시료명 : 포장재 B) 및 실시예 2의 수지 조성물을 인 몰드 라벨링 방식으로 제조한 기체차단성 라벨 용기(실시예 2-2, 시료명 : 포장재 C)를 같은 시료인 빵류(프레즐)의 각 포장재에 따른 식품의 품질한계일을 비교할 수 있었다.
도 14 내지 도 15는 비교예 1-1, 실시예 2-1 및 실시예 2-2의 품질한계일 산출 결과를 나타낸 한국첨단시험연구원의 실험 결과보고서이다.
도 14 내지 도 15를 참고하면, 본 유통기한 설정실험은 품질지표별 규격값과 반응속도상수(K)를 활용하여 시간변화에 따른 품질지표 변화를 0차 반응식으로 나타내어 가장 먼저 한계일에 도달한 품질지표의 한계일을 본 제품의 품질한계일로 산출하였고, 그 결과 포장재 A(비교예 1-1), 포장재 B(실시예 2-1), 포장재 C(실시예 2-2) 순으로 빵류의 유통기한이 늘어남을 알 수 있었다.
본 실험 과정에서 모든 항목, 특히 산소투과도와 직결되는 일반세균, 과산화물가 평가항목에서 본 발명에 따른 기체차단성 수지 조성물로 제조된 용기 및 라벨 용기의 기체차단 성능에 의한 유통기한 향상을 확인할 수 있었다.
본 실험은 유통기한이 1일(24시간)인 빵류에 대한 실험으로써, 같은 4가지 품질지표에 준하여 실험이 가능한 시료 중, 유통기한이 12개월(365일) 이상으로 설정된 임의의 시료에 대하여 일간변화속도상수(K) 값이 일정하다고 가정할 때, 같은 조건에서 관능 품질지표가 최소 품질한계일을 나타내므로, 약 16개월(486일)의 유통기한을 가질 수 있을 것으로 판단할 수 있다.
<실험예 5> 낙하충격 시험(낙추시험법)
제조된 용기의 내충격성을 확인하기 위하여 낙하충격 실험을 수행하였다.
낙하충격 실험은 ASTM D 3763 방식(Standard Test Method for High Speed Puncture Properties of Plastics Using Load and Displacement Sensors) 규격으로 (20 ± 2) ℃, 상대습도 (65 ± 2)% R.H. 의 조건에서 시행되었다.
본 시험에 사용된 시편은 나노 클레이가 포함되지 않은 폴리프로필렌으로 사출성형된 용기인 비교예 1-1과 나노 클레이가 10 wt% 포함된 실시예 2의 기체차단성 수지 조성물로 사출성형된 용기인 실시예 2-1을 사용하였다.
도 16 내지 도 18은 비교예 1-1(시료명 : original) 및 실시예 2-1(시료명 : modified)의 한국섬유개발연구원의 낙추시험 시험성적서이다.
도 16 내지 도 18을 참고하여 설명하면, 비교예 1-1 및 실시예 2-1의 Peak Force 및 Peak Energy를 비교하였을 때 서로 근소한 차이를 나타내어 내충격성이 비슷함을 알 수 있다.
나노 클레이를 포함하지 않은 비교예 1-1은 일반적인 식품 포장 용기로 쓰이는 바, 나노 클레이를 10 wt% 포함한 기체차단성 수지 조성물로 만든 기체차단성 용기는 일반적인 식품 포장 패키지로서의 내충격성을 나타낸다고 볼 수 있다.
<실험예 6> 식품용 기구 및 용기 용출 시험
제조된 용기의 식품용기로서의 안전성을 시험하기 위해 식품용 기구 및 용기 용출 시험을 수행하였다.
본 시험은 나노 클레이를 10 wt% 포함한 실시예 2의 기체차단성 수지 조성물로 사출성형한 실시예 2-1을 기준으로 진행하였다.
도 19 내지 도 20은 실시예 2-1(시료명 : NC01)의 용출시험에 대한 한국건설생활환경시험연구원의 시험성적서이다.
도 19 내지 도 20을 참고하여 설명하면, 실시예 2-1(시료명 : NC01)은 시험항목 5개 가운데 모든 항목에서 기준치 이하의 시험 결과를 나타내어, 식품용기로서 사용되는 데 문제가 없음을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

  1. 폴리프로필렌(polypropylene), 나노 클레이(nano clay) 및 분산제 또는 계면활성제로 스테아르산 아연(zinc stearate)을 포함하며,
    상기 폴리프로필렌은 용융지수(Melt Index, M.I.)가 20 내지 30 g/10min 사이고, 인장항복강도(Tensile Strength at Yield)는 200 내지 250 kg/cm2 이며,
    상기 나노 클레이는 25 내지 30 wt%의 메틸 디하이드록시에틸 수소화 수지 암모늄(Methyl dihydroxyethyl hydrogenated tallow ammonium) 및 70 내지 75 wt%의 몬모릴로나이트로 구성되고,
    상기 폴리프로필렌 60 내지 98 wt% 및 상기 나노 클레이 2 내지 40 wt%를 포함하는 혼합물에 있어서, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 상기 스테아르산 아연 1.25 내지 2.5 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 기체차단성 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 기재된 수지 조성물을 이용하여 제조된 기체차단성 용기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기체차단성 용기는 인 몰드 라벨링(In Mold Labeling) 방식으로 성형 및 제조되는 것을 특징으로 하는 기체차단성 용기.
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