KR102267634B1 - 수분산성 제지용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법 - Google Patents

수분산성 제지용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 기술은 제지용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법에 관한 것이다. 본 기술의 제지용 수분산성 코팅제 조성물은, 제지용 코팅제 조성물로서, 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하되, 상기 아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트를 포함하고, 상기 피그먼트는 클레이, 탈크 및 탄산칼슘 중 하나 이상을 포함하며, 상기 피그먼트는 입도가 1800nm 이하로서 상기 아크릴레이트를 바인더로 하여 상기 아크릴레이트와 블렌딩된다.

Description

수분산성 제지용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법{Aqueous dispersion Coating Compositions For Papermaking And Manufacturing Method Of Eco-Friendly Food Wrapping Paper With Improved Moisture-Proof And Blocking Properties Using The Same}
본 발명은 수분산성 제지용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하는 제지용 수분산성 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법에 관한 것이다.
종이컵은 물, 커피, 아이스크림, 샐러드 등과 같은 식음료를 담는 일회용으로 주로 사용되고 있다. 또한 최근에는 디저트 시장의 폭발적 성장으로 그 사용량은 기하급수적으로 증가하고 있다.
일회용 종이컵이나 종이용기는 그 사용이 매우 편리한만큼 환경오염 이슈를 갖고 있다.
통상적으로 천연펄프에 식음료를 보관하기 위한 폴리에틸렌(PE)과 같은 코팅물질을 코팅하여 제작되고 있는데, 이러한 코팅물질로 인해 종이컵 하나가 버려져서 분해되는 데까지 걸리는 시간은 20년까지 소요되는 것으로 알려져있다.
재활용의 가능성도 열려있긴 하지만, 위와 같은 코팅물질은 비수용성으로써 그 재활용은 쉽지 않다. 재생펄프화 과정에서 미해리된 PE 필름이 존재하기 때문이다. 미해리된 PE 필름이 존재하는 종이는 재활용시 고온 공정에 배치되는 롤러에 달라 붙는 공정오염 현상을 유발한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 코팅물질로써 아크릴계 고분자 수지와 같은 수분산성 코팅물질을 사용할 수 있다.
그러나, 종이컵에 적용되는 코팅물질은 다음과 같은 특성들을 만족해야 한다. 가장 기본적으로 내유성과 내수성이 요구된다. 또한, 제조과정에서 필요한 특성들로서, 립부분 형성을 위한 성형성, 씰링을 위한 열봉합성, 그리고, 밑지와 옆지간 결합성을 만족하여야 한다. 나아가, 대량으로 컵원지를 제조후 보관 및 유통과정에서, 권취시 블록킹 문제(양면 코팅된 컵윈지들이 아래 위로 배치되면서 눌려서 서로 붙어버리는 현상)를 일으키지 않아야 하는 특성도 요구된다.
이를 위해, 아크릴계 고분자 수지로 된 코팅물질에 피그먼트를 첨가하였다. 클레이, 탈크, 탄산칼슘 등이 그것이다.
이러한 피그먼트들은 상술한 요구되는 특성들을 만족시키기도 하고, 나아가 탈크의 경우 방습성까지도 만족시키는 것으로 알려져 있다(대한민국 등록특허공보 제10-1547935호, 발명명칭: 친환경 제지용 코팅제 조성물 및 이를 이용하여 방습성을 가지는 친환경 식품 포장지의 제조 방법).
그러나, 여전히 요구되는 방습성을 만족시키에는 부족한 실정이다. 특히, 뜨거운 커피를 담을 때나, 차가운 아이스크림을 담을 때와 같이 상온과 온도차가 큰 식음료를 보관할 때에는, 종이컵, 종이용기 외부로 수증기가 맺히거나 내부로 수증기가 스며드는 현상을 피할 수 없다. 이들이 놓여진 바닥에까지 고온의 습기가 종이를 투과한 후 응결되어 물기가 형성되기도 해 위생상 미관상 좋지 않은 영향을 미친다.
요구되는 방습성을 만족시키기 위해서 아주 기본적인 방습 메커니즘으로써 코팅물질을 많이 바르면 되긴 하다. 그러나, 이는 앞서 언급한 블록킹 문제를 초래한다.
본 발명의 발명자는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 실시예는 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하는 제지용 수분산성 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법을 제공한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 제지용 수분산성 코팅제 조성물은, 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하되, 상기 아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트를 포함하고, 상기 피그먼트는 클레이, 탈크 및 탄산칼슘 중 하나 이상을 포함하며, 상기 피그먼트는 입도가 1800nm 이하로서 상기 아크릴레이트를 바인더로 하여 상기 아크릴레이트와 블렌딩될 수 있다.
상기 피그먼트는 입자 형상이 판상형인 탈크를 포함할 수 있다.
상기 피그먼트는 입도가 4nm 이상 1800nm 이하일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법은, 종이 재질의 기재를 준비하는 단계; 및 상기 기재에 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하는 제지용 수분산성 코팅제로 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트를 포함하고, 상기 피그먼트는 클레이, 탈크 및 탄산칼슘 중 하나 이상을 포함하며, 상기 피그먼트는 입도가 1800nm 이하로서 상기 아크릴레이트를 바인더로 하여 상기 아크릴레이트와 블렌딩될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지는, 기재; 및 상기 기재 상에 코팅되며, 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하는 제지용 수분산성 코팅제;를 포함하되, ASTM F2029의 시험법에 의한 블록킹성이 230℃ 이상, KS T1305 시험법에 의한 방습성이 78 g/m2/day 이하, TAPPI T441 시험법에 의한 내수성이 2.0 g/m2/2분 이하, TAPPI T559cm-02 시험법에 의한 내유성이 7 이상 및 TAPPI T275sp-02 Somerville-type 시험법에 의한 펄프수율(재활용성)이 95% 이상을 만족할 수 있다.
본 기술은 방습성을 매우 향상시킬 수 있는 제지용 수분산성 코팅제 조성물 및 이를 이용한 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 본 기술은 뜨거운 음료뿐만 아니라 차가운 식음료를 담을 때에도 방습성이 매우 우수한 식품 포장지를 제공할 수 있다.
또한 본 기술은 인쇄공정상에서 종이표면의 인쇄적성을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 기술은 방습성을 향상시킴과 동시에 권취상태에서 유발될 수 있는 블록킹 문제를 해소할 수 있다.
또한 본 기술은 코팅물질의 블렌딩이 우수하여 코팅시 수반되는 제조공정상의 여러 어려움들을 일시에 해결할 수 있다.
또한 본 기술은 자연 분해성을 가져 폐기시 환경오염을 저감시킬 수 있다.
또한 본 기술은 코팅층을 형성하는 조성물들 모두가 원래 제지원료로 사용되는 것들이므로, 재활용이 매우 용이한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제지용 코팅제가 코팅된 식품 포장지의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제지용 코팅제가 코팅된 식품 포장지를 제조하는 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노 피그먼트를 도시하는 도면으로서, 도 3a는 판상형의 나노 탈크를, 도 3b는 나노 탄산칼슘을, 도 3c는 나노 클레이를 각각 도시한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제지용 수분산성 코팅제가 코팅된 식품 포장지(100)의 단면도를 도시하는 도면이다.
그리고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제지용 수분산성 코팅제가 코팅된 식품 포장지(100)를 제조하는 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 순서도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제지용 코팅제가 코팅된 식품 포장지(100)(이하, 설명의 편의를 위해, '식품 포장지'라 함)는 기재(110) 및 코팅제(120)를 포함한다.
기재(110)를 준비한 후(S110), 그 위에 제지용 코팅제로 코팅층(120)을 형성함으로써(S120), 식품 포장지(100)가 제조된다.
기재(110)는 종이 재질이다. 기재는 도공지, 비도공지 또는 크래프트지 등일 수 있다.
본 발명에서는 설명의 편의를 위해, 기재(110)가 비도공지인 것으로 가정한다. 비도공지는 종이에 화학약품, 미세돌가루 등 도공처리를 하지 않은 용지이다.
식품 포장지로 적용되기 위해, 비도공지(110)는 식품 접촉에 무해한 원료로 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비도공지는 평량 100 내지 350 g/m2의 무게를 가질 수 있다.
코팅층(120)은 기재(110)상에 배치된다. 코팅층(120)은 제지용 수분산성 코팅제로 상기 기재를 코팅함으로써 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 제지용 수분산성 코팅제(이하, 설명의 편의를 위해, '코팅제'라 함)는 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함한다. 즉, 코팅제는 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트의 혼합 코팅제이다.
코팅층(120)은 방습성 및 블록킹성을 개선하기 위한 코팅층으로서, 상기 혼합 코팅제의 코팅량은 고형분 기준으로 10 내지 40 g/m2 일 수 있다.
10 g/m2 미만의 코팅인 경우 방습성 성능발현이 떨어지는 문제가 있고, 40 g/m2 초과하는 코팅의 경우 블로킹 문제가 발생된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 아크릴계 고분자 수지는 아크릴 모노머를 평균 분자량 5백 내지 1백만까지 중합하여 얻은 순수 아크릴계 고분자 수지일 수 있다.
구체적으로, 아크릴계 고분자 수지는 수분산성 타입으로서, 통상적인 제지 공정 중 재활용을 위한 원료화(repulping) 공정과 초지(papermarking) 공정 중에 발생할 수 있는 문제(공정수 오염, 건조드럼의 흡착, 초지와이어의 막힘 등)를 최소화할 수 있다.
또한 아크릴계 고분자 수지는 오래전부터 제지산업에서 무기 안료의 바인더로 사용해온 재료여서 적합하다.
또한 아크릴계 고분자 수지를 포함하여 형성된 코팅층은 내수성과 내유성이 우수한 성질을 갖는다.
아크릴계 고분자 수지는 제지용 코터(coater) 등에 적용하기 위해 농도가 30 내지 55 중량% 수용액일 수 있다. 다양한 코팅 설비와 운전 조건에 따라 목표한 코팅량을 실현하기 위해 그 농도는 조절이 가능하지만, 상기 범위는 반복 실험을 통해 얻은 것으로 실제 코팅에 적합한 농도의 범위이다.
코팅을 위한 코팅설비는 제지산업의 통상적인 온머신 코터 또는 오프머신 코터 모두 사용할 수 있다. 또한, 롤 코터(roll coater), 블레이드 코터(blade coater), 로드 코터(rod coater), 에어나이프 코터(air knife coater), 낮은 코팅량을 효과적으로 제어할 수 있는 쇼트 드웰 코터(short dwell coater), 빌블레이드 코터(bill balde coater) 및 게이트롤 코터(gate roll coater) 중에서 선택된 어느 방식이라도 적용가능하다. 또한, 그라비아(gravure) 타입의 인쇄설비에서도 동일한 코팅효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피그먼트는 클레이, 탈크 및 탄산칼슘 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 피그먼트는 후술하는 바와 같이, 입도가 4nm 내지 1800nm일 수 있다.
제지산업에서 통상적으로 내부첨가 또는 외부코팅용으로 사용하는 피그먼트는 통상 4㎛~20㎛의 입도를 가지며, 이를 밀링하여 원하는 입도의 피그먼트를 얻을 수 있다. 피그먼트의 상용화된 크기는 대략 400~1000nm이고, 밀링을 한번 더 실시함으로써 그 이하의 크기(일례로 대략 180nm)도 비교적 쉽게 얻을 수 있다.
이러한 나노 피그먼트는 기본적으로 기재의 포러스한 부분을 채우는 역할을 수행하게 된다.
본 발명에서 입도는 평균 입자 사이즈일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노 피그먼트를 도시하는 도면으로서, 도 3a는 판상형의 나노 탈크를, 도 3b는 나노 탄산칼슘을, 도 3c는 나노 클레이를 각각 도시한다. 이하 도 3을 참조하여 피그먼트들에 대해 보다 상세히 살펴본다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 탈크는 일반적으로 Mg3Si4O10(OH)2으로 표기되는 무기물로서, 입도가 4nm 내지 1800nm의 판상형일 수 있다.
탈크는 탄산칼슘과 같은 친수성 성질(hydrophilic property)을 갖는 무기 안료와 달리, 소수성 성질(hydrophobic property)을 갖는 무기 안료로서, 방습과 내수 성능 발현에 적합하다. 또한, 제지 산업에서 인쇄적성을 높이는 코팅 안료로서 널리 사용되어 왔으므로, 구하기 유리하다.
탈크의 입도가 4nm 미만인 경우, 경험적으로 방습성 등 필요한 베리어 물성을 구현하지 못하는 문제가 있다. 또한, 4nm 미만의 입도를 갖는 탈크를 얻기 위해서는 가공 비용이 매우 크므로 경제적이지 못하다.
탈크의 입도가 1800nm 초과인 경우, 코팅량 증량에 따른 방습기능 효과 증가율이 크게 높아지지 않는다. 또한, 입도가 1800nm 초과인 경우 바인더인 아크릴계 고분자 수지와 블렌딩되지 않는 문제가 있다. 블렌딩이 제대로 되지 않으면 코팅시 종이표면이 균일하게 덮이지 못하거나 시간이 지남에 따라 코팅액의 분산 안정성이 떨어져서 탈크입자간 응집으로 침전되는 현상이 발생하는 문제가 생긴다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 탈크는 4nm~1800nm의 입도를 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 경제성이 높은 180nm~400nm의 입도를 선택할 수 있다.
탈크는 바인더와 혼합하여 코팅을 하게 되며, 바인더로는 상술한 아크릴계 고분자 수지를 사용한다. 탈크와 바인더의 혼합 비율은 고형분 중량비로 10:90 내지 50:50으로 할 수 있다. 이 비율은 목표 및 운전 조건에 따라 정할 수 있다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 탄산칼슘은 CaCO3로 표기되는 무기물로서, 입도가 4nm 내지 1800nm 일 수 있다. 상술한 나노탈크와 다르게 탄산칼슘은 건식 또는 습식 그라인딩을 통해 나노화 하더라도 충분한 판상형 형태를 나타내지 않는다. 이러한 물리적 구조는 나노탈크에 비해 방습성을 포함한 베리어성에 다소 불리하다.
탄산칼슘의 입도가 4nm 미만인 경우, 방습성 등 필요한 베리어 물성을 구현하지 못하는 문제가 있다. 또한, 4nm 미만의 입도를 갖기 위해서는 가공 비용이 매우 크므로 경제성이 없다.
탄산칼슘의 입도가 1800nm 초과인 경우, 바인더와의 블랜딩시 균일한 혼합이 어려울 수 있으며, 코팅시 기대한 수준의 방습력을 얻기 어려운 문제가 있다.
탄산칼슘은 친수성 성질의 무기 안료이다. 상술한 탈크와 달리 친수성 성질인만큼 방습성과 내수성은 탈크에 미치지 못할 수 있으나, 일반적으로 방습성을 발휘하는 물리적 메커니즘상 코팅안료가 충분히 두껍게 코팅되면 그 방습효과는 발휘되므로, 본 발명의 실시예에 따른 혼합 코팅제에 코팅피그먼트로서 적용하기 충분하다. 또한, 제지 산업에서 종이 표면 코팅가공하기 위한 안료로서 널리 사용되어 왔으므로, 구하기도 쉽다.
탄산칼슘은 바인더와 혼합하여 코팅을 하게 되며, 바인더로는 상술한 아크릴계 고분자 수지를 사용한다. 탄산칼슘과 바인더의 혼합 비율은 고형분 중량비로 10:90 내지 60:40으로 할 수 있다. 이 비율은 목표 및 운전 조건에 따라 정할 수 있다.
이어서 도 3c를 참조하면, 클레이는 친수성의 무기 충진제로서, 입도가 4nm 내지 1800nm일 수 있다. 제지산업에서 보편적으로 사용되는 클레이는 Al4Si4O10(OH)8의 구조식으로 표시된다. 상술한 탄산칼슘처럼 클레이 역시 나노화 하더라도 탈크와 다르게 판상형 형태를 나타내지 않으며, 이는 나노탈크에 비해서 물리적 형태상 방습성 등의 베리어성에 불리하다.
클레이의 입도가 4nm 미만인 경우, 방습성 등 필요한 베리어 물성을 구현하지 못하는 문제가 있다. 또한, 4nm 미만의 입도를 갖기 위해서는 가공 비용이 매우 크므로 경제성이 없다.
클레이의 입도가 1800nm 초과인 경우, 바인더와의 블랜딩시 균일한 혼합이 어려울 수 있으며, 코팅시 기대한 수준의 방습력을 얻기 어려운 문제가 있다.
마찬가지로 클레이는 친수성 성질의 무기 안료이다. 상술한 탈크와 달리 친수성 성질인만큼 방습성과 내수성은 탈크에 미치지 못할 수 있으나, 일반적으로 방습성을 발휘하는 물리적 메커니즘상 코팅안료가 충분히 두껍게 코팅되면 그 방습효과는 발휘되므로, 본 발명의 실시예에 따른 혼합 코팅제에 코팅피그먼트로서 적용하기 충분하다. 또한, 제지 산업에서 종이 표면 코팅가공하기 위한 안료로서 널리 사용되어 왔으므로, 구하기도 쉽다.
클레이는 바인더와 혼합하여 코팅을 하게 되며, 바인더로는 상술한 아크릴계 고분자 수지를 사용한다. 클레이와 바인더의 혼합 비율은 고형분 중량비로 10:90 내지 60:40으로 할 수 있다. 이 비율은 목표 및 운전 조건에 따라 정할 수 있다. 단, 안료의 고농도 비율로 갈수록 상술한 탈크나 탄산칼슘에 비해 블랜딩한 코팅 혼합액의 점도가 급격히 상승하여 코팅적성에 불리할 수 있으므로, 제지공정상의 개별적 특성에 맞춰 주의하여 혼합할 필요가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 탈크, 탄산칼슘 및 클레이 중 2 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 경우에도 각각의 입도는 4nm 내지 1800nm를 만족하는 것이 바람직하다.
탈크와 탄산칼슘의 혼합비는 중량비로 40:60에서90:10일 수 있다.
탈크와 클레이의 혼합비는 중량비로 40:60에서 90:10일 수 있다.
탄산칼슘과 클레이의 혼합비는 중량비로 50:50에서 90:10일 수 있다.
그리고, 탈크와 탄산칼슘을 혼합하는 경우 탈크 단일성분만으로 코팅조성물을 구성했을 때에 비해서, 상대적으로 저렴한 가격의 탄산칼슘의 기여로 동일한 베리어성능 효과내에서 비용 측면에서 유리하다.
탈크와 클레이를 혼합하는 경우 탈크 단일성분만으로 코팅조성물을 구성했을 때에 비해서, 상대적으로 표면의 성질이 부드럽게 느껴지는 감성적 측면에서 유리하다. 또한 클레이의 혼합비율 증가는 탈크 단일 코팅조성물에 비해서 통상적인 인쇄공정상에서 종이표면의 인쇄적성을 향상시킨다.
탄산칼슘과 클레이를 혼합하는 경우 탈크 단일성분만의 코팅조성물에 비해 베리어성은 떨어질 수 있으나 비용 측면에서 유리하다. 또한, 탈크에 비해서는 통상적인 인쇄공정상의 잉크수리성이 좋아서, 인쇄품질에서는 유리하다.
한편, 상기 코팅층을 형성하는 단계(S120) 이후, 코팅층을 건조하는 단계를 더 수행할 수 있다.
코팅의 건조에 필요한 온도 조건은 105 내지 150 ℃이며, 바람직하게는 120 내지 135 ℃이다. 온도가 105 ℃미만인 경우 아크릴계 고분자 수지의 도막 형성이 완전히 이루어지지 못하여 목표한 성능 구현이 어려우며, 무기 안료인 탈크의 부착도 미흡하여 박리된다. 또한, 완전히 건조되지 못한 불완전 코팅도막의 블로킹성도 발생할 수 있다. 온도가 150 ℃초과인 경우 아크릴계 고분자 수지와 바인더의 경화도가 높아져서 종이의 유연성이 떨어지고, 이형성이 높아져 표면이 너무 미끄러워진다. 이에 생산 설비의 건조 능력과 시간 등을 고려하여 상기 온도 범위에서 최적의 건조 조건을 설정할 수 있다.
또한, 상기 건조 과정을 거친 후, 칼렌더링(calendering)을 추가적으로 실시하여 코팅된 종이를 더욱 견고하게 만들며, 표면 평활성을 개선할 수 있다. 이 공정을 통해서 종이의 기공을 더욱 조밀하게 낮추고 코팅층의 밀도를 높여서 특히 방습성 향상에 효과적이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방습성을 매우 향상시킴과 동시에 블록킹 문제를 해소할 수 있다. 뜨거운 음료뿐만 아니라 차가운 식음료를 담을 때에도 방습성이 매우 우수한 식품 포장지를 제공할 수 있다. 또한 인쇄공정에서 종이표면의 인쇄적성을 더욱 높인다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 제지용 코팅제 조성물의 불렌딩이 우수하여 코팅시 수반되는 제조공정상의 어려움들을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제지용 코팅제 조성물들 모두가 원래 제지원료로 사용되는 것들이므로 종이의 원료로서 재활용이 매우 유리하다. 아울러, 자연 분해성을 가지므로 그대로 폐기시에도 환경오염의 우려가 없다.
이하, 본 발명을 제조예, 실시예 및 비교예에 의해 상세히 설명한다. 하기 제조예, 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 제조예, 실시예 및 비교예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예>
아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트가 주성분이며, 혼합 코팅제의 무기 안료 바인더로 사용하였다.
피그먼트와 아크릴계 고분자 수지를 고형분 중량비로 50 : 50의 비율로 분산 혼합하여 혼합 코팅제를 만들었다. 아래와 같이, 탈크를 이용한 예가 실시예1, 탄산칼슘을 이용한 예가 실시예2, 클레이를 이용한 예가 실시예3이다.
<실시예1>
비도공지는 무림페이퍼의 식품포장용 컵지 190 g/m2 을 사용하고, 통상적인 제지용 코터에서 로드(rod)코팅을 통해 <제조예>에서 준비한 코팅제로 코팅한다.
바인더로서 사용한 아크릴계 고분자 수지를 포함한 전체 수분산성 혼합 코팅제의 코팅량은 건조 고형분량 기준으로 총 16 g/m2을 코팅하였다.
코팅 공정 중에 코팅된 탈크량은 건조 고형분량 기준으로 8 g/m2이다. 사용된 탈크의 입도는 400nm이다. 400nm는 상용화된 크기로서 구하기 쉽다.
추가적으로 칼렌더링을 실시하여 표면성을 매끄럽게 만들었다.
<실시예2>
실시예1과 동일한 비도공지를 사용하였다.
바인더로서 사용한 아크릴계 고분자 수지를 포함한 전체 수분산성 혼합 코팅제의 코팅량은 건조 고형분량 기준으로 총 16 g/m2을 코팅하였다.
코팅 공정 중에 코팅된 탄산칼슘량은 건조 고형분량 기준으로 8 g/m2 이다. 사용된 탄산칼슘의 입도는 400nm이다.
추가적으로 칼렌더링을 실시하여 표면성을 매끄럽게 만들었다.
<실시예3>
실시예1과 동일한 비도공지를 사용하였다.
바인더로서 사용한 아크릴계 고분자 수지를 포함한 전체 수분산성 혼합 코팅제의 코팅량은 건조 고형분량 기준으로 총 16 g/m2을 코팅하였다.
코팅 공정 중에 코팅된 클레이량은 건조 고형분량 기준으로 8 g/m2 이다. 사용된 클레이의 입도는 400nm이다.
마찬가지로, 추가 공정으로서 칼렌더링을 실시하여 표면성을 매끄럽게 만들었다.
<비교예1>
시중의 6.5 온스 종이컵을 만드는 폴리에틸렌이 코팅된 원단(205 g/m2)을 구입하여 비교예1로 사용하였다.
<비교예2>
시중에서 흔히 구할 수 있는 김 포장지 중 알루미늄 호일 (두께 7 ㎛)에 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 다층 접합된 포장지를 비교예2로 사용하였다.
알루미늄은 방습성이 매우 우수한 재질 중 하나이므로, 비교예로 적용한다.
<시험예>
실시예와 비교예를 통해 준비된 재료를 동일한 조건 하에서 물성을 시험하여, 그 결과를 표 1로 정리하였다.
항목 측정기준 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2
블록킹성 ASTM F2029 240℃ 230℃ 230℃ 200℃ 190℃
방습성(투습도) KS T1305(g/m2/day) 30 65 50 95 10
내수성 TAPPI T441(g/m2/2분) 0.5 1.2 1.2 2.0 0.5
내유성 TAPPI T559cm-02 11 11 10 5 11
재활용성 TAPPI T275sp-02 accept ratio 99% 99% 99% 40% 불가
식품안전성 식약처 식품용 기구 및 용기포장 공전 적합 적합 적합 적합 적합
본 발명의 실시예에 의해 제조된 식품 포장지의 블록킹성은 RDM사의 heat sealer (모델명 HSM-4)를 이용하여 ASTM F2029의 시험방법을 준용하여 시험하여 180℃ 이상의 수치를 나타내면 블로킹성이 없어서 통상적인 제지공정 및 컨버팅공정에서 양산에 문제 없는 것으로 판단한다. 해당 실시예를 통해 이러한 기준을 만족한다. 따라서, 기재에 양면으로 코팅하더라도 권취 후 보관이 용이하고, 장기간 보관시에도 아래위로 겹쳐지는 포장지들이 서로 붙어버리는 블록킹 현상을 방지할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의해 제조된 식품 포장지의 방습성은 한국공업규격(KS T1305)의 방법으로 시험하여 실시예에서 30에서 65 g/m2/day 범위를 달성하였다. 이때, 방습성 수치는 커질수록 많은 양의 습기가 통과됨을 나타내므로, 방습성은 투습도로 참조될 수도 있다. 그리고, 내수성은 TAPPI T441의 Cobb size법으로 1.2 g/m2/2분 이하의 성능을 발휘하였다. 이것은 우수한 방습성과 내수성이 발현된다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 식품 포장지의 내유성은 TAPPI T559cm-02 법으로 #10 이상의 성능을 발휘하였다. 이것은 우수한 내유성을 갖는다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 식품 포장지의 친환경성은 미국 지펄프산업시험규격(TAPPI)의 서머빌(somerville) 스크린법으로 종이원료로 사용가능한 원료수율(accept ratio) 측정결과 99%이상의 원료화 가능함을 확인하였다. 한국 환경부 환경표지 대상제품 및 인증기준(EL606)의 알칼리 해리성 및 분산성 시험에서 건조시킨 펄프에 고무 또는 합성수지 덩어리 등 펄프 이외의 불순물이 포함되어 있지 않았으며, 건조시킨 펄프에서 점착성이 나타나지 않았다. 따라서, 제지의 원료로서 재사용이 가능한 수준을 달성하였다.
아울러, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 식품 포장지는 식품의약품안전처 식품용 기구 및 용기포장 공전의 가공기재의 시험규격에 부합하여 식품 포장지로 안전하게 사용할 수 있음을 확인할 수 있다.
<추가 시험예>
아래 추가 시험예들은 탈크의 입도에 따른 방습성(투습도)의 변화를 보여준다.
이러한 추가 시험예들은 실시예1과 대비될 수 있도록 탈크의 입도를 제외한 나머지 조건들은 모두 동일하게 설정하였다. 즉, 실시예1과 동일한 비도공지를 사용하였고, 바인더로서 사용한 아크릴계 고분자 수지를 포함한 전체 수분산성 혼합 코팅제의 코팅량은 건조 고형분량 기준으로 총 16 g/m2을 코팅하였으며, 코팅 공정 중에 코팅된 탈크량은 건조 고형분량 기준으로 8 g/m2 이다.
구분 입도
(㎚)		 방습성(투습도)
(g/m2/day)		 내수성
(g/m2/2분)		 내유성
(#)
실시예a 4 15 0.4 12
실시예b 10 20 0.4 12
실시예c 50 20 0.4 11
실시예d 100 30 0.5 11
실시예e 500 45 0.5 11
실시예f 700 48 0.7 11
실시예g 1200 53 1.0 10
실시예h 1600 55 1.2 10
실시예i 1800 60 1.2 9
비교예a 2000 440 20 6
비교예b 2200 630 26 5
비교예c 2500 800 30 5
상기 표로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 탈크의 입도가 증가할수록 투습도가 커진다. 입도가 4nm에서 1800nm에 이를 때까지는 천천히 투습도가 커지지만(실시예a 내지 실시예i), 일정 시점인 2000nm에 이르면 급격하게 투습도가 증가한다(비교예a 내지 비교예c). 이는 탈크가 더 이상 코팅막 내에서 피그먼트의 입자간 간극의 커져서 기공을 통과하는 수증기를 효과적으로 막아내지 못하며 또한 기재의 포러스한 부분을 채우지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 탈크의 입도가 2㎛를 이상인 때부터는 혼합 코팅제로 형성된 코팅막이 수증기를 효과적으로 막아내는 기능이 현저히 떨어진다. 반대로, 탈크의 입도를 1800nm 이하로 설정하는 것은 KS T1305 시험법에 의한 방습성이 65 g/m2/day 이하의 원하는 방습성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 위 시험예들(실시예a-i 및 비교예a-c)에 대해 다른 평가항목들을 측정해보면, 입도가 커짐에 따라 내수성과 내유성도 투습도와 비슷한 경향을 보여준다. 이들 평가항목 역시 혼합 코팅막의 베리어성의 증가 및 코팅시 기재의 공극을 물리적으로 세밀히 채우지 못함으로부터 유인되기 때문이다. 즉, 입도가 4nm에서 1800nm에 이를 때까지는 내수성과 내유성은 각각 비슷한 수준을 보이다가, 2000nm에 이르면 급격한 수치의 변화를 보인다. 2000nm 이상에서 내수성은 20~30 g/m2/2분에 이르고, 내유성은 6 이하로 떨어진다.
아래 추가 시험예들은 탄산칼슘과 클레이의 입도에 따른 방습성(투습도)의 변화를 각각 보여준다. 표 3은 탄산칼슘에 대한 데이터이고, 표 4는 클레이(Kaolin)에 대한 데이터이다.
먼저 표 3을 살펴본다. 표 3의 시험예들은 실시예2와 대비될 수 있도록 입도를 제외한 나머지 조건들은 모두 동일하게 설정하였다. 즉, 비도공지, 코팅제의 코팅량, 탄산칼슘량이 동일하다.
구분 입도
(㎚)		 방습성(투습도)
(g/m2/day)		 내수성
(g/m2/2분)		 내유성
(#)
실시예j 4 32 0.5 12
실시예k 10 39 0.8 12
실시예l 50 40 1.1 12
실시예m 100 51 1.2 11
실시예n 500 68 1.2 11
실시예o 700 71 1.3 10
실시예p 1200 74 1.7 8
실시예q 1600 76 1.8 7
실시예r 1800 78 2.0 7
비교예d 2000 480 22 5
비교예e 2200 690 29 5
비교예f 2500 880 35 4
상기 표 3으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 탄산칼슘의 입도가 증가할수록 투습도가 커진다. 입도가 4nm에서 1800nm에 이를 때까지는 천천히 투습도가 커지지만(실시예j 내지 실시예r), 일정 시점인 2000nm에 이르면 급격하게 투습도가 증가한다(비교예d 내지 비교예f). 표 2에서 상술한 탈크의 메커니즘과 마찬가지로, 탄산칼슘이 더 이상 코팅막 내에서 피그먼트의 입자간 간극의 커져서 기공을 통과하는 수증기를 효과적으로 막아내지 못하며 또한 기재의 포러스한 부분을 채우지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 탈산칼슘의 입도가 2㎛를 이상인 때부터는 혼합 코팅제로 형성된 코팅막이 수증기를 효과적으로 막아내는 기능이 현저히 떨어진다. 반대로, 탈산칼슘의 입도를 1800nm 이하로 설정하는 것은 KS T1305 시험법에 의한 방습성이 78 g/m2/day 이하의 원하는 방습성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.위 시험예들(실시예j-r 및 비교예d-f)에 대해 다른 평가항목들도 유사한 경향을 보여준다. 이들 평가항목 역시 혼합 코팅막의 베리어성의 증가 및 코팅시 기재의 공극을 물리적으로 세밀히 채우지 못함으로부터 유인되기 때문이다. 즉, 입도가 4nm에서 1800nm에 이를 때까지는 내수성과 내유성은 각각 비슷한 수준을 보이다가, 2000nm에 이르면 급격한 수치의 변화를 보인다. 2000nm 이상에서 내수성은 22~35 g/m2/2분에 이르고, 내유성은 5 이하로 떨어짐을 보여준다.
다음으로 표 4를 살펴보면, 표 4의 시험예들은 실시예3과 대비될 수 있도록 입도를 제외한 나머지 조건들은 모두 동일하게 설정하였다. 즉, 비도공지, 코팅제의 코팅량, 클레이량이 동일하다.
구분 입도
(㎚)		 방습성(투습도)
(g/m2/day)		 내수성
(g/m2/2분)		 내유성
(#)
실시예s 4 27 0.5 12
실시예t 10 33 0.8 11
실시예u 50 41 1.0 11
실시예v 100 45 1.1 10
실시예w 500 50 1.2 10
실시예x 700 58 0.2 10
실시예y 1200 61 1.5 9
실시예z 1600 65 1.7 9
실시예aa 1800 69 1.8 8
비교예g 2000 460 21 6
비교예h 2200 660 27 5
비교예i 2500 820 34 4
상기 표 4로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 클레이의 입도가 증가할수록 투습도가 커진다. 입도가 4nm에서 1800nm에 이를 때까지는 천천히 투습도가 커지지만(실시예s 내지 실시예aa), 일정 시점인 2000nm에 이르면 급격하게 투습도가 증가한다(비교예g 내지 비교예i). 표 2에서 상술한 탈크의 메커니즘과 마찬가지로, 클레이가 더 이상 코팅막 내에서 피그먼트의 입자간 간극의 커져서 기공을 통과하는 수증기를 효과적으로 막아내지 못하며 또한 기재의 포러스한 부분을 채우지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 클레이의 입도가 2㎛를 이상인 때부터는 혼합 코팅제로 형성된 코팅막이 수증기를 효과적으로 막아내는 기능이 현저히 떨어진다. 반대로, 클레이의 입도를 1800nm 이하로 설정하는 것은 KS T1305 시험법에 의한 방습성이 69 g/m2/day 이하의 원하는 방습성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 위 시험예들(실시예s-aa 및 비교예g-i)에 대해 다른 평가항목들도 비슷한 경향을 보여준다. 이들 평가항목 역시 혼합 코팅막의 베리어성의 증가 및 코팅시 기재의 공극을 물리적으로 세밀히 채우지 못함으로부터 유인되기 때문이다. 즉, 입도가 4nm에서 1800nm에 이를 때까지는 내수성과 내유성은 각각 비슷한 수준을 보이다가, 2000nm에 이르면 급격한 수치의 변화를 보인다. 2000nm 이상에서 내수성은 21~34 g/m2/2분에 이르고, 내유성은 6 이하로 떨어짐을 보여준다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 방습성을 매우 향상시킴과 동시에 블록킹 문제를 해소할 수 있는 친환경 식품 포장지를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 제지용 코팅제가 코팅된 식품 포장지
110 : 기재
120 : 코팅제

Claims (5)

  1. 종이 재질의 기재의 표면에 직접 코팅되는, 제지용 수분산성 코팅제 조성물로서,
    아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하되,
    상기 아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트를 포함하고,
    상기 피그먼트는 입자 형상이 판상형인 탈크를 포함하며,
    상기 피그먼트는 입도가 4nm 이상 1800nm 이하로서 상기 아크릴레이트를 바인더로 하여 상기 아크릴레이트와 블렌딩되고,
    상기 피그먼트와 바인더의 혼합비율은, 고형분 중량비로 10:90 내지 50:50이고,
    상기 피그먼트는 상기 기재의 포러스한 부분을 채우는 것을 특징으로 하는,
    제지용 수분산성 코팅제 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법으로서,
    종이 재질의 기재를 준비하는 단계;
    아크릴계 고분자 수지 수용액에 피그먼트를 분산 혼합하여 제지용 수분산성 코팅제를 제조하는 단계; 및
    상기 기재를 상기 코팅제로 코팅하여 단일의 코팅층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트를 포함하고,
    상기 피그먼트는 탈크를 포함하며,
    상기 피그먼트는 입도가 4nm 이상 1800nm 이하로서 상기 아크릴레이트를 바인더로 하여 상기 아크릴레이트와 블렌딩되고,
    상기 피그먼트와 바인더의 혼합비율은, 고형분 중량비로 10:90 내지 50:50이고,
    상기 코팅제는 상기 기재의 표면에 직접 형성되어, 상기 피그먼트는 상기 기재의 포러스한 부분을 채우는 것을 특징으로 하는,
    방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지의 제조방법.
  5. 기재; 및
    상기 기재 상에 단일층으로 코팅되며, 아크릴계 고분자 수지와 피그먼트를 포함하는 제지용 수분산성 코팅제;를 포함하되,
    상기 아크릴계 고분자 수지는 아크릴레이트를 포함하고,
    상기 피그먼트는 탈크를 포함하며,
    상기 피그먼트는 입도가 4nm 이상 1800nm 이하로서 상기 아크릴레이트를 바인더로 하여 상기 아크릴레이트와 블렌딩되고,
    상기 피그먼트와 바인더의 혼합비율은, 고형분 중량비로 10:90 내지 50:50이고,
    상기 코팅제는 상기 기재의 표면에 직접 형성되어, 상기 피그먼트는 상기 기재의 포러스한 부분을 채우고,
    ASTM F2029의 시험법에 의한 블록킹성이 240℃이상, KS T1305 시험법에 의한 방습성이 60 g/m2/day 이하, TAPPI T441 시험법에 의한 내수성이 1.2 g/m2/2분 이하, TAPPI T559cm-02 시험법에 의한 내유성이 9 이상 및 TAPPI T275sp-02 Somerville-type 시험법에 의한 펄프수율이 95% 이상의 재활용성을 만족하는,
    방습성과 블록킹성이 향상된 친환경 식품 포장지.
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