KR102136135B1 - 고광택 종이코팅제용 조성물 및 그것의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종이컵이나 전단지를 포함한 일회용 용기를 코팅하는 종이코팅제용 조성물에 관한 것으로서,
코팅지의 일면 또는 양면 중 적어도 어느 한 면에 코팅되는 코팅분말; 및 상기 코팅분말에 물과 함께 혼합되어 상기 코팅분말의 부착력을 제공하는 바인더를 포함하는 고광택 종이코팅제용 조성물로서, 상기 코팅분말은 셀룰로오스 100 중량부에 대하여, 지방산 100 중량부 및 촉매 75∼85 중량부를 포함하고,
상기 종이코팅제용 조성물의 코팅분말로서 셀룰로오스 및 지방산을 주성분으로하는 천연물질을 적용함으로써, 상기 일회용 용기를 소각이나 매립하지 않고 재활용하는 것이 가능해 환경오염원의 발생을 줄일 수 있다.

Description

고광택 종이코팅제용 조성물 및 그것의 제조방법{Water-based coating composition for high gloss papercoating and its manufacturing method}

본 발명은 종이컵이나 전단지를 포함한 일회용 용기를 코팅하는 종이코팅제용 조성물에 관한 것으로, 특히 생분해성의 친환경적인 물질을 첨가하여 상기 일회용 용기의 폐기과정에서 발생하는 환경오염원을 최소화시킬 수 있도록 한 고광택 종이코팅제용 조성물 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 일회용 용기는 가정은 물론 사무실이나 관공서와 같이 많은 사람이 출입하는 곳에 비치하거나 음식물의 포장용도로도 이용하는 일회용품의 하나로서, 이 일회용 용기는 한번 쓰고 버릴 수 있음은 물론 각종 바이러스 감염이나 오염을 방지하는 장점이 있어 널리 사용되고 있다.

또한, 상기 일회용 용기는 종이컵이나 광고전단지와 같은 소형용기는 물론 반찬용기나 양념용기나 포장지와 같은 대형용기에 이르기까지 다양한 형태로 발전하고 있으며, 상기 일회용 용기의 방수성 및 보관성을 향상하여 수명을 연장함은 물론 단가절감을 위한 각종 연구가 진행 중에 있다.

예컨대, 상기 일회용 용기의 대표적인 예인 종이컵이나 광고전단지와 같은 코팅지는 방수성을 향상하여 수분의 침투를 방지함은 물론 표면 광택을 높일 목적으로 폴리에틸렌과 같은 필름을 부착하거나 또는 폴리스티렌과 같은 수지를 유기용매에 녹여서 코팅하는 방법을 주로 적용하고 있다.

그러나, 상기 일회용 용기의 재활용과정에서 필름이나 코팅물을 분리하는 것이 어려워 기사용한 용기를 소각할 수밖에 없어 대기오염의 원인이 되고, 상기 일회용 용기를 매립하는 경우에도 자연 분해에 매우 긴 시간이 소요되므로 토양오염 및 대기오염을 심하게 유발시키는 원인이 된다.

더욱이, 상기 종이컵의 국내 소비량이 한 해 약 230억개 이상이지만, 재활용률은 약 6％정도로서 재활용이 거의 되지 않는 실정이고, 특히 상기 종이컵이 필름이나 코팅물로 인하여 자연적으로 분해되는 데에 최소 20년 이상이 소요되므로 상기 종이컵에 의한 심각한 환경오염원을 유발한다.

게다가, 상기 종이컵의 코팅제로 쓰인 폴리에틸렌은 분해과정에서 미세 플라스틱으로 잘게 쪼개져 바다로 흘러들어가 해양 오염의 원인이 되지만, 상기 종이컵의 편리함이나 실용성의 장점으로 사용이 불가피하므로, 상기 미세 플라스틱의 원인물을 대체할만한 코팅제의 개발이 요구된다.

그리고, 상기 광고전단지는 외관을 고급스럽게 보이도록 하면서 인쇄효과도 높이기 위해 통상 클레이코팅(고령토코팅)과 비닐코팅으로 구분되는 코팅물을 코팅하며, 상기 비닐코팅은 코팅지에 비닐을 입힌 것으로서 방수 및 보강효과가 있지만 재활용이 불가능하여 환경오염원을 유발한다.

한편, 상기 일회용 용기의 필름 또는 코팅물로 인한 재활용이 불가능한 문제점을 해결하기 위해, 전분이나 소맥분을 포함하는 곡물에 볏짚가루나 톱밥을 혼합한 자연물을 제조하여, 상기 일회용 용기의 자연분해시간을 줄여 소각이나 매립에 따른 환경오염원을 줄이는 연구가 제안되어 있다.

그러나, 상기 일회용 용기에 도포 또는 코팅되는 자연물은 비교적 고가인 전분이 주성분이므로, 상기 일회용 용기의 제조단가가 상승하는 원인을 제공함은 물론 상기 전분 자체가 갖는 특유의 냄새나 맛으로 인해 상기 일회용 용기의 사용자에게 불쾌감을 주어 사용을 꺼리는 원인을 제공한다.

따라서, 상기 일회용 용기에 도포 또는 코팅되는 종이코팅제용 조성물을 제조함에 있어서, 상기 종이코팅제용 조성물의 주요성분으로서 생분해성의 친환경적인 물질을 적용하여 매각이나 소각에 따른 환경오염원의 발생원인을 없앰은 물론 제조단가를 절감하여 저렴한 비용으로 보급화하는 연구가 절실한 실정이다.

KR 제10-0574547호(B1)(2006.04.20.자 등록) KR 제10-1547935호(B1)(2015.08.21.자 등록) KR 제10-1428588호(B1)(2014.08.04.자 등록)

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상기 종이코팅제용 조성물의 주성분으로서 생분해성의 친환경적인 물질인 셀룰로오스와 지방산을 적용하여 매립이나 소각에 따른 환경오염원을 최소화시킬 수 있도록 한 고광택 종이코팅제용 조성물 및 그것의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 조성물은; 코팅지의 일면 또는 양면 중 적어도 어느 한 면에 코팅되는 코팅분말; 및 상기 코팅분말에 물과 함께 혼합되어 상기 코팅분말의 부착력을 제공하는 바인더를 포함하는 고광택 종이코팅제용 조성물로서, 상기 코팅분말은 셀룰로오스 100 중량부에 대하여, 지방산 100 중량부 및 촉매 75∼85 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 제조방법은; 코팅분말을 분산매인 디클로로메탄에 침적하여 분산시키는 혼합단계와; 상기 혼합단계에서 분산된 분산물을 환류하여 혼합하는 환류단계; 상기 환류단계에서 혼합된 혼합물을 분별증류하여 상기 분산매를 분리하는 분별증류단계; 및 상기 분별증류단계에서 분별된 분별물의 입자를 미세화하는 미세화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이, 본 발명은 적어도 다음의 효과를 포함한다.

첫째, 상기 종이코팅제용 조성물의 코팅분말로서 셀룰로오스 및 지방산을 주성분으로하는 천연물질을 적용함으로써, 상기 일회용 용기의 소각이나 매립없이 재활용하는 것이 가능해져 환경오염원의 발생을 줄일 수 있다.

둘째, 상기 종이코팅제용 조성물이 액상화된 형태로서 공지의 상기 일회용 용기의 코팅라인에 교체방식으로 적용하는 것이 가능해짐으로써, 상기 일회용 용기의 제조에 따른 각종 부대비용이 줄어들어 매우 경제적이다.

셋째, 상기 종이코팅제용 조성물이 액상화된 형태이므로 상기 종이컵이나 전단지를 포함한 코팅지의 코팅에 따른 작업시간이 절감됨은 물론 방수코팅이 필요한 모든 코팅지에 적용할 수 있어 적용범위가 더욱 넓어진다.

도 1은 본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물 제조공정을 도시한 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물의 에스테르화 반응에 따른 메커니즘을 도시한 구조도,
도 3의 본 발명에 따른 일회용 용기에 종이코팅제용 조성물을 코팅한 사진으로서, (a)는 미세화단계 이전의 사진, (b)는 미세화단계 이후의 사진,
도 4는 본 발명에 따른 일회용 용기기에 미세화단계 이전의 종이코팅제용 조성물을 코팅한 사진으로서, (a)는 20분 경과, (b)는 40분 경과, (c)는 60분 경과,
도 5는 본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물의 방수성을 증명하는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물을 적용한 종이와 일반 종이컵 내부의 수 접촉각 비교 데이터로, (a)는 본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물을 적용한 종이의 수 접촉각, (b)는 상용화되어있는 종이컵 내부의 수 접촉각이다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도 1 내지 6을 참고로 설명한다.

[종이코팅제용 조성물]

본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물은, 코팅지의 일면 또는 양면 중 적어도 어느 한 면에 코팅되는 코팅분말; 및 상기 코팅분말에 물과 함께 혼합되어 상기 코팅분말의 부착력을 제공하는 바인더를 포함하는 고광택 종이코팅제용 조성물로서, 상기 코팅분말은 셀룰로오스 100 중량부에 대하여, 지방산 100 중량부 및 촉매 75∼85 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물은 상기 코팅분말과 상기 물과 상기 바인더가 적정 중량비로 혼합되어 구성되며, 특히 상기 코팅분말로서 생분해성인 상기 셀룰로오스를 기반으로 상기 지방산을 부가하였으며, 상기 셀룰로오스와 상기 지방산 사이의 에스테르화 촉매로는 DCC(dicyclohexylcarbodiimide) 또는 DMAP[2-(dimethylamino)pyridine]를 부가하였다.

본 발명에 따른 코팅분말은 상기 셀룰로오스의 하이드록실기(-OH)와 상기 지방산의 카르복실기(-COO) 사이의 에스테르화 결합을 유도함으로써, 상기 코팅분말에 의한 친수성이 감소되고 말단이 탄화수소 사슬로 이루어지므로 소수성을 나타내는 원리를 이용한 것에 특징이 있음을 첨언한다.

상기 셀룰로오스는 수백에서 수천 개의 D-포도당 단위체들이 글리코시드 결합으로 연결된 선형 사슬의 다당류 유기 화합물을 의미하고, 특히 상기 셀룰로오스는 녹색식물이나 다양한 형태의 조류 및 난균류의 1차 세포벽의 중요한 구조적인 구성 요소로 지구상에서 풍부한 천연 성분이다.

상기 셀룰로오스는 상기 일회용 용기내의 음식물을 섭취하는 과정에서 화학성분에 의한 후각적인 혐오감을 줄여주는 특징이 있으며, 상기 생분해성인 셀룰로오스를 기반으로 상기 코팅분말을 제조하는 경우 오랜 시간 강력한 방수성을 유지하는 상기 코팅분말의 핵심소재임을 알 수 있다.

한편, 상기 종이코팅제용 조성물의 코팅분말이 천연 고분자 물질인 유기 화합물인 점을 감안하여, 상기 셀룰로오스의 하이드록실기(-OH)와 반응하여 상기 셀룰로오스에 소수성을 부여할 수 있는 물질로서, 천연물질이면서 인체의 주요구성 성분인 지방산의 카르복실기(-COO)를 부가하여 반응성을 향상하였다.

상기 셀룰로오스에 상기 지방산이 결합되면, 상기 지방산의 탄화수소 말단에 의해 화합물은 친수성이 감소되고 소수성을 띄게 된다.

한편, 상기 셀룰로오스의 에스테르화 촉매로서 DCC를 선택하였는데, 다음과 같은 메커니즘을 통해 촉매와의 반응이 진행된다.

상기 DCC의 음전하를 띠는 질소(δ- 질소)가 상기 지방산 카르복실기의 수소(δ+ 수소)를 붙잡으면, 상기 지방산 카르복실기의 산소는 상기 수소(δ+ 수소)가 떨어져 나감으로써 음전하를 띠게 된다.

상기 카르복실기의 산소 음이온이 상기 DCC의 양전하를 띠는 탄소를 붙잡으면, 상기 카르복실기의 α탄소는 산소의 EWG 효과로 인해 두 개의 산소에 전자를 쏠리듯이 빼앗겨 양전하를 띠게 된다.

상기 셀룰로오스의 하이드록실기 산소(δ-)가 상기 α탄소를 공격하면, 상기 셀룰로오스의 하이드록실기 수소가 전자를 전달하고 방출되면, 상기 지방산은 DCC와의 결합을 끊고 안정화되는 것이다.

따라서, 상기한 메커니즘을 거쳐 상기 셀룰로오스와 상기 지방산 사이에 에스테르 결합이 생기면, 최종 생성물은 양쪽 말단이 고분자와 같은 탄화수소 사슬로 이루어지므로 자연히 소수성을 띄게 되고, 상기 최종 생성물 중에서 친수성기인 산소, 에스테르 결합 등이 분자 내에 매우 극소수이므로 특별히 상기 물에 대한 흡수성이 거의 없게 되는 초소수성을 띄게 된다.

[종이코팅제용 조성물의 제조방법]

본 발명에 따른 종이코팅제용 조성물의 제조방법은, 상기 코팅분말을 분산매에 침적하여 분산시키는 혼합단계와; 상기 혼합단계에서 분산된 분산물을 환류하여 혼합하는 환류단계; 상기 환류단계에서 혼합된 혼합물을 분별증류하여 상기 분산매를 분리하는 분별증류단계; 및 상기 분별증류단계에서 분별된 분별물의 입자를 미세화하는 미세화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다,

이하, 상기 종이코팅제용 조성물의 제조방법을 단계별로 나누어 설명한다.

① 혼합단계

먼저, 상기 혼합단계는 상기 셀룰로오스와 상기 지방산을 골고루 분산하여 최적의 중량비로 혼합하도록 유도하는 공정으로서, 상기 지방산과 상기 셀룰로오스가 1 : 1의 중량비로 반응하는 특징을 감안하였다.

본 실시예에서는 상기 지방산과 상기 셀룰로오스를 각각 10g씩 혼합하고 촉매를 이용하여 분산물로 제조하였으며, 상기 촉매로는 DMAP와 DCC를 적용함이 바람직하며, 상기 DMAP와 DCC의 촉매량(각각 약 0.4mol)은 각각 7.9g, 0.47g씩 혼합하여 에스테르화 반응을 유도하였다.

이때, 본원에서는 상기 촉매인 DMAP와 DCC의 함유량을 각각 7.9g, 0.47g으로 한정하였으나, 상기 셀룰로오스 100 중량부에 대하여 상기 촉매를 75∼85 중량부로 부가하는 경우 동일한 결과를 나타냈으며, 상기 DMAP와 상기 DCC를 단독으로 또는 혼합하여 사용하더라도 동일한 결과를 나타내었다.

② 환류단계

상기 환류단계는 상기 혼합단계에서 어느정도 분산된 분산물을 상기 분산매와 함께 환류하여 골고루 혼합하는 공정으로서, 상기 셀룰로오스와 상기 지방산이 충분히 접촉하도록 상기 분산매로서 디클로로메탄(Dichloromethane)를 상기 분산물이 완전히 잠길 정도로 충분히 넣어 주었다.

이때, 상기 환류단계에서는 상기 분산물을 약 24시간 정도 환류하여 골고루 혼합함이 바람직하지만, 상기 환류시간을 1시간 이상 유지하는 경우 거의 유사한 효과를 보이고 있어 이에 한정하지는 않는다.

③ 분별증류단계

상기 분별증류단계는 상기 환류단계에서 혼합된 혼합물을 분별증류하여 상기 분산매를 분리하는 공정으로서, 상기 환류단계에서의 혼합물을 미도시된 회전감압농축기(Rotary evaporator)에 장입한 상태에서 분별증류를 통해 상기 분산매인 디클로로메탄를 분리해 내었다.

이때, 상기 분별증류단계에서의 분별물은 증류수로 다수 회 세척하고 감압여과한 후 건조하는 후처리공정이 필요하다.

④ 미세화단계

상기 미세화단계는 상기 분별증류단계에서 제조된 상기 분별물의 입자를 더욱 미세화하는 공정으로서, 상기 분별물을 볼밀에 장입한 상태에서 185RPM으로 약 13시간동안 유지함으로써, 상기 셀룰로오스-지방산 에스테르화물의 입도를 최소화한 최종 생성물(이하, 코팅분말이라 함)을 제조하였다.

이때, 상기 미세화단계는 상기 볼밀내에 세라믹볼(지르코니아, 알루미나 등)을 장입함으로써, 상기 세라믹볼과 상기 코팅분말의 충돌을 일으켜 분쇄, 분해, Cold Welding 과정을 유도함이 바람직하다.

⑤ 바인더 함량 선정 및 초음파 세척기의 분산

먼저, 상기 코팅분말을 분말형태로 제조한 후, 상기 일회용 용기의 코팅에 적합한 함량을 갖는 상기 코팅분말과 상기 물과 상기 바인더의 함량비를 설정하기 위하여 다양한 조건으로 실험하였다.

이때, 상기 코팅분말이 고르게 분산되도록 상기 코팅분말에 비해 상기 바인더 및 상기 물이 차지하는 부피를 크게 설정하였으며. 상기 코팅분말을 기준 1로 삼고 상기 물과 상기 바인더의 비율을 다르게 설정하였다.

표 1에서와 같이, 상기 코팅분말과 상기 물과 상기 바인더의 함량비(1 : 2 : 2, 1 : 3 : 2, 1 : 2 : 3)를 설정한 후 상기 일회용 용기에 분사한 결과, 상기 코팅분말에 비해 상기 물이 더 많을 경우 방수 효과가 덜하고, 상기 바인더가 더 많을 경우에는 점성이 높아 분사가 잘 이루어지지 않았다.

	코팅분말	물	바인더
1차	31	62	62
2차	31	62	93
3차	31	93	62
(단위 : ㎖)

즉, 상기 바인더와 상기 물이 1 : 1 비율이면서 상기 바인더 및 상기 물이 상기 코팅분말 보다는 과량인, 상기 코팅분말 : 상기 물 : 상기 바인더 = 1 : 2 : 2인 경우 상기 종이코팅제용 조성물이 가장 원활하게 분사되었다.

또한, 상기 코팅분말 : 상기 물 : 상기 바인더 = 1 : 2 : 2의 함량비를 갖는 상기 종이코팅제용 조성물을 제조한 후, 상기 종이코팅제용 조성물의 보다 원활한 분산을 유도하기 위하여 미도시된 초음파 세척기를 적용하였다.

⑥ 코팅분말의 방수효과 측정

상기 코팅분말의 입도 및 분산매에 의한 분산정도를 확인하기 위하여, 상기 미세화단계 이전의 코팅분말 및 상기 미세화단계 이후(초음파 세척기의 분산을 마친 상태)의 코팅분말을 상기 물과 상기 바인더에 1 : 2 : 2의 함량비로 혼합한 후, 상기 일회용 용기에 코팅한 후 결과를 비교하였다.

도 3의 (a)는 미세화단계 이전의 사진으로서, 상기 일회용 용기(노란색 코팅지)에 상기 종이코팅제용 조성물을 코팅한 경우, 육안으로 보기에 하얀 가루가 건조 후에도 남았으나 방수효과가 뛰어남을 알 수 있었다.

도 3의 (b)는 미세화단계 이후의 사진으로서, 상기 일회용 용기(노란색 코팅지)에 상기 종이코팅제용 조성물을 코팅한 경우, 육안으로 보기에 하얀 가루 또는 바인더의 불투명한 색이 거의 드러나지 않았다.

즉, 상기 일회용 용기에 상기 종이코팅제용 조성물을 코팅한 경우 및 상기 종이코팅제용 조성물을 코팅하지 않은 경우를 비교한 결과, 질감이나 색깔 면에서 차이가 없고, 양자 모두 방수효과가 우수함을 알 수 있었다.

⑦ 코팅분말의 입도 측정

상기 미세화단계 이전의 코팅분말, 상기 미세화단계 도중의 코팅분말(3시간 반, 8시간), 상기 미세화단계 이후의 코팅분말(13시간)을 각각 조금씩 채취한 후 상기 코팅분말의 입도를 육안으로 비교하였다.

상기 미세화단계 도중의 코팅분말의 경우 상기 입도가 시간이 지남에 따라 점차 감소하는 경향을 보이고 있으나, 상기 미세화단계 이후의 코팅분말(13시간)의 경우 분말입자끼리 서로 뭉치는 경향을 보였다.

따라서, 상기 미세화단계에 있어서 13시간 이내의 시간을 거친 분말이 분산되기 좋은 입도를 갖는 것으로 판단된다.

⑧ 코팅분말의 방수성 측정

먼저, 상기 코팅분말의 방수성을 측정하기 위하여, 상기 미세화단계 이전의 코팅분말을 코팅한 경우 및 상기 코팅분말을 코팅하지 않은 경우를 비교하였으며, 상기 방수성을 20분 간격으로 측정하였다.

이때, 상기 일회용 용기에 상기 코팅분말을 코팅하지 않은 경우, 상기 일회용 용기에 떨어뜨린 물방울이 시간이 지남에 따라 전체에 퍼지며 서서히 건조되어 상기 종이코팅제용 조성물로 부적합함을 알 수 있었다.

반면, 상기 일회용 용기에 상기 코팅분말을 코팅한 경우, 도 4의 (a) 내지 (c)에서와 같이, 상기 일회용 용기에 떨어뜨린 물방울이 1시간이 경과할 때까지 처음과 같은 모양을 유지하여 상기 종이코팅제용 조성물로서 적합함을 알 수 있었다.

따라서, 상기 코팅분말로서 생분해성인 셀룰로오스를 기반으로 지방산 및 촉매를 부가하여 에스테르화 결합을 유도하여 분말화한 후, 상기 코팅분말과 상기 물과 상기 바인더가 1 : 2 : 2의 중량비로 혼합한 후, 상기 종이코팅제용 조성물을 제조하는 경우 코팅효율이 우수함을 알 수 있었다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 셀룰로오스 100 중량부에 대하여, 지방산 100 중량부 및 촉매 75∼85 중량부를 포함하는 코팅분말을 분산매인 디클로로메탄에 침적하여 분산시키는 혼합단계와;
   상기 혼합단계에서 분산된 분산물을 환류하여 혼합하는 환류단계;
   상기 환류단계에서 혼합된 혼합물을 분별증류하여 상기 분산매를 분리하는 분별증류단계; 및
   상기 분별증류단계에서 분별된 분별물의 입자를 미세화하는 미세화단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고광택 종이코팅제용 조성물 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분별증류단계에서 분별된 증류물을 세척 및 감압여과한 후 건조하여 최종생성물을 분말화하는 후처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고광택 종이코팅제용 조성물 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

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