KR102285935B1 - 열가소성 수지 발포 시트 - Google Patents

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Abstract

개시된 내용은 열가소성 수지 발포 시트 및 이의 제조방법 관한 것으로, 질소를 사용하는 물리적 발포를 하여 유해 물질을 방출하지 않으며, 발포로 인한 강도 저하를 극복하고, 장기간 사용에도 발포 물성이 떨어지지 않는 열가소성 수지 발포 시트 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

열가소성 수지 발포 시트{THERMOPLASTIC FOAM SHEET}
개시된 내용은 열가소성 수지 발포 시트에 관한 것이다.
경량성, 완충성 및 성형 가공이 용이한 측면에서 열가소성 수지 발포 시트는 포장재, 구조재 등으로 다양하게 사용되고 있다. 특히, 열가소성 폴리에스테르계 수지 발포 시트는 내열성이 우수한 것으로 알려져 있어 전자레인지나 오븐으로 가열 가공하는 식품의 용기로서 널리 사용되고 있다.
열가소성 수지를 발포할 때 화학 발포제 또는 물리 발포제를 사용하는데, 화학 발포제로는 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산암모늄((NH4)2CO3), 중탄산암모늄(NH4HCO3), 아질산암모늄(NH4NO2), 보론화수소나트륨, 아조디카르본산아미드(ADCA), 아조비스이소부티로나이트릴(AIBN), 옥시비스(벤젠술포닐히드라지드)(oxy bis(benzene sulfonyl hydrazide);OBSH), 디나이트로펜타메틸렌테트라민(dinitro pentamethylene tetramine; DPT), p-톨루엔술포닐히드라지드(ptoluenesulfonyl hydrazide; TSH) 및 p-톨루엔술포닐세미카바지드(p-toluene sulfonyl semicarbazide; PTSS) 등을 사용하는데, 발포 가스의 잔류물이 발포체 내에 잔존하기 때문에, 부식성 가스나 가스 중의 불순물에 의한 오염이 문제가 될 수 있고, 물리 발포제로는 지방족 탄화수소, 시클로부탄, 시클로펜탄, 시클로헥산, 할로겐화 탄화수소 등을 사용하여 물질의 가연성이나 독성 및 오존층 파괴 등 환경에의 영향이 우려된다.
따라서 상기 발포제를 사용하여 열가소성 수지를 발포하는 경우 상기 발포제의 유출로 식품용기 등에 사용시 안전성이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 열가소성 수지를 발포하는 경우 경량성, 경제적인 측면에서 장점이 존재하나, 미발포 시트에 비하여 필연적으로 강도가 저하되는 문제가 있었으며, 장기 사용 시 발포 물성이 저하되는 문제가 있어왔다.
한국공개특허공보 10-2019-0077527(2019.07.03.) 한국공개특허공보 10-2017-0022632(2017.03.02.)
개시된 내용은 물리적 발포를 하여 유해 물질을 방출하지 않으며, 발포로 인한 강도 저하를 극복하고, 장기간 사용에도 발포 물성이 떨어지지 않는 열가소성 수지 발포 시트 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
하나의 일 실시예로서 이 개시의 내용은 열가소성 수지를 포함하는 조성물을 발포하여 형성되는 코어층 및 상기 코어층의 양면에 형성되는 표피층을 포함하고, 상기 코어층은 질소를 함침시켜 발포한 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 발포 시트에 대해 기술하고 있다.
바람직하기로는, 상기 코어층에는 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및 플라스틱 스크랩으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상이 포함되는 것일 수 있다.
더 바람직하기로는, 상기 코어층과 상기 표피층 사이에는 충전제를 포함하는 보강층을 더 포함할 수 있다.
더욱 바람직하기로는 상기 충전제는 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및 플라스틱 스크랩으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 코어층, 상기 보강층 및 상기 표피층으로 이루어지는 적층체에 기능을 부여하기 위한 기능층이 더 포함될 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 기능층은 자외선 흡수제, 적외선 흡수제, 대전방지제 및 항균제로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 코어층은 열가소성 수지 100 중량부, 가교제 0.1 내지 1 중량부, 핵제 0.1 내지 5 중량부, 안정제 0.0001 내지 0.001 중량부를 포함할 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리락티드(PLA)일 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 질소는 열가소성 수지 100 중량부에 대해서 0.1 내지 10 중량부 첨가될 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 폴리에스테르계 발포 시트는 식품 포장 용기에 사용되는 것일 수 있다.
다른 실시예로서 이 개시의 내용은 하기 단계를 포함하는 열가소성 수지 발포 시트의 제조방법에 대해 기술하고 있다.
(A) 열가소성 수지, 가교제, 핵제 및 안정제를 포함하는 조성물을 혼합하는 단계;
(B) 상기 혼합된 조성물을 가열하여 용융하는 단계;
(C) 상기 용융된 조성물을 감압 흡인하여 수분을 제거하는 단계;
(D) 상기 수분이 제거된 용융된 조성물에 질소를 주입하여 혼련하는 단계;
(E) 상기 질소가 혼입된 조성물을 압출 및 발포하여 코어층을 제조하는 단계;
(F) 상기 코어층의 양면에 표피층을 형성하는 단계;
바람직하기로는, 상기 (D) 단계에서 상기 질소를 미리 예열한 후, 10 내지 25 bar의 압력 및 400 내지 600ℓ/h의 유량으로 주입할 수 있다.
더 바람직하기로는, (G) 상기 코어층과 상기 표피층 사이에는 충전제를 포함하는 보강층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 충전제는 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및 플라스틱 스크랩으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
더욱 바람직하기로는, 상기 (F) 단계는 공압출 또는 점착제로 적층하여 형성할 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 (G) 단계는 공압출 또는 점착제로 적층하여 형성할 수 있다.
이상에서와 같은 열가소성 수지 발포 시트 및 이의 제조방법은 비발포 시트의 강도를 유지하면서도 물리적 발포에 의해 유해물질의 방출이 없으며, 장기간 사용에서 발포물성이 떨어지지 않는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 개시된 일 실시예에 따른 열가소성 수지 발포 시트를 나타낸 단면도이다.
도 2는 개시된 다른 실시예에 따른 열가소성 수지 발포 시트를 나타낸 단면도이다.
도 3은 개시된 또 다른 실시예에 따른 열가소성 수지 발포 시트를 나타낸 단면도이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 개시된 열가소성 수지 발포 시트는 폴리에스테르계 수지를 포함하는 조성물을 발포하여 형성되는 코어층(10) 및 상기 코어층의 양면에 형성되는 표피층(30)을 포함하는데, 상기 코어층(10)과 상기 표피층(30) 사이에는 충전제를 포함하는 보강층(20)이 더 포함될 수 있다.
개시된 열가소성 수지 발포 시트의 코어층(10)은 질소를 함침시켜 발포한 것을 특징으로 한다. 발포제로 질소를 사용한 기계적 발포를 하여 화학적 발포제를 사용한 경우에 비하여 유해물질의 배출이 없어, 식품 용기 등에 사용이 적합하다. 이때, 상기 질소는 열가소성 수지 100 중량부에 대해 0.1 내지 10 중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 코어층(10)은 열가소성 수지 100 중량부, 가교제 0.1 내지 1 중량부, 핵제 0.1 내지 5중량부, 안정제 0.0001 내지 0.001 중량부를 포함하는 조성물을 혼합한 후 가열, 용융하여 수분을 제거하고, 질소를 주입하여 함침시킨 후 압출 및 발포하여 제조할 수 있다.
상기 열가소성 수지로는 폴리올레핀계, 폴리스티렌계 및 폴리에스테르계 수지를 사용할 수 있으며, 폴리에스테르계 수지가 바람직하다.
폴리에스테르계 수지로는 폴리올 성분과 폴리카르복실산 성분과의 반응(중축합)에 의한 에스터 결합 부위를 갖는 수지이면 특별히 제한되지 않으나, 가공성 면에서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 바람직하고, 지구 환경의 생태계에 영향을 미치는 것이 적은 생분해성 수지를 이용한 폴리락티드(PLA)가 특히 바람직하다.
다만, 아직 생분해성 수지의 생산량이 한정되어 있고, 가격이 높다는 측면에서 폴리락티드 수지에 다른 폴리올레핀계 수지 또는 폴리에스테르계 수지를 혼합하여 사용하여도 좋다.
상기 가교제는 테트라카르복실산무수물을 사용하는데, 바람직하게는 피로멜리트산이무수물, 트리카르복실산 또는 테트라카르복실산을 사용한다.
가교제의 함유량은 폴리에스터계 수지 100중량부에 대하여 0.1중량부 미만인 경우 가교제에 의한 가교 형성이 불충분해지고, 폴리에스터계 수지의 응집력이 작아지며, 1중량부를 초과하는 경우, 폴리에스터계 수지층의 응집력이 크고 단단해져 발포 부재의 실링성이 저하될 수 있다.
상기 핵제는 탈크, 실리카, 카올린 및 클레이 등을 사용할 수 있으며, 기핵 작용에 유리한 판상 구조를 가지는 탈크가 바람직하다.
핵제의 크기는 평균 입경이 0.1 내지 50μm인 것이 바람직하고, 0.1μm 미만이면, 발포핵제가 되기 어렵고 발포 배율이 낮아지며, 50μm를 초과하면 균일한 기포를 얻을 수 있기 어려워진다.
상기 안정제는 페놀계 안정제, 인계 안정제, 아민계 안정제 등을 사용할 수 있으며, 인계 안정제가 바람직하다.
인계 안정제로는 모노메틸 포스페이트, 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리페닐 포스페이트 등이 있다.
인계 안정제의 함량은 안정제의 최소한의 효과를 확보하면서도 수지 물성에 영향을 미치지 않도록 폴리에스테르계 수지 100 중량부 대비 0.0001 내지 0.001 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 코어층(10)의 기계적 물성을 향상하고, 원가를 절감하기 위하여 상기 조성물 이외에 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및/또는 플라스틱 스크랩 등을 더 포함할 수 있다.
상기 무기입자로는 활석, 탄산칼슘, 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄, 수산화알루미늄, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화안티몬, 오산화안티몬, 지르코니아 및 산화아연 등이 있으며, 상기 유기입자로는 카본블랙, 카본파이버 등을 사용할 수 있다.
상기 충전제가 함유된 보강층(20)은 개시된 열가소성 수지 발포 시트의 신장성이나 유연성 등에 영향을 미치지 않으면서도 강도를 효과적으로 강화시키는 한편, 코어층(10)의 기포를 보호하는 역할을 한다.
상기 보강층(20)의 충전제로는 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및/또는 플라스틱 스크랩 등을 사용할 수 있고, 상기 무기입자로는 활석, 탄산칼슘, 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄, 수산화알루미늄, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화안티몬, 오산화안티몬, 지르코니아 및 산화아연 등이 있으며, 상기 유기입자로는 카본블랙, 카본파이버 등을 사용할 수 있다.
개시된 폴리에스테르계 발포 시트의 표피층(30)은 코어층(10)을 보호하고, 미관을 미려하게 하며, 기능성을 추가하기 위해 사용하는데, 이를 위해 다양한 첨가제를 첨가할 수 있다.
상기 표피층(30)의 재질로는 상기 개시된 열가소성 수지를 사용할 수 있으며, 코어층을 보호하는 측면에서 폴리올레핀계 수지, 폴리에스터계 수지 및 타이-수지(TIE-RESIN)등이 바람직하다.
개시된 열가소성 수지 발포 시트는 코어층, 보강층 및 표피층 외에도 기능성 부여를 위하여 자외선 흡수제, 적외선 흡수제, 대전방지제 및 향균제 등을 포함하는 도 3과 같은 기능층(40)을 더 포함할 수 있다.
상기 기능층(40)은 코어층과 표피층 사이에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 자외선 흡수제로는 벤조페논계, 벤조트라이아졸계, 벤조에이트계, 힌더드 아민계 및 트라이아진계 자외선 흡수제를 사용할 수 있다.
상기 벤조페논계로는 ,4-다이하이드록시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논이 바람직하고, 상기 벤조트라이아졸계로는 2-(2-하이드록시-5-메틸페닐)벤조트라이아졸, 2-(2-하이드록시-3,5-다이-t-뷰틸페닐)벤조트라이아졸이 바람직하며, 상기 벤조에이트계로는 살리실산 페닐, 2,4-다이-t-뷰틸페닐-3,5-다이-t-뷰틸-4-하이드록시벤조에이트가 바람직하고, 상기 힌더드 아민계로는 비스(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-4-일)세바케이트가 바람직하며, 상기 트라이아진계로는 2,4-다이페닐-(2-하이드록시-4-뷰톡시페닐)-1,3,5-트라이아진, 2,4-다이페닐-6-(2-하이드록시-4-뷰톡시페닐)-1,3,5-트라이아진이 바람직하다.
상기 적외선 흡수제로는 텅스텐, 텅스텐 산화물, 금속 붕소화물, 디이모늄계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 대전방지제로는 무기계 대전방지제로서 산화아연계, 산화티탄계, 황산바륨계, 탄산마그네슘계 등을 사용할 수 있고, 저분자형 또는 고분자형의 유기계 대전방지제를 사용할 수도 있다.
상기 코어층(10), 보강층(20) 및 표피층(30)에는 개시된 조성물 외에도 첨가제, 색소, 난연제 등을 더 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기와 같은 폴리에스테르계 발포 시트는 질소에 의한 물리 발포로 유해물질의 배출이 없고, 보강층에 의한 강도 보강으로 식품 포장 용기에 사용 시 최적의 소재로 사용될 수 있다.
이하에서는 개시된 폴리에스테르계 발포 시트의 제조방법에 대하여 기술한다.
개시된 폴리에스테르계 발포 시트의 제조방법은 하기의 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
(A) 폴리에스테르 수지, 가교제, 핵제 및 안정제를 포함하는 조성물을 혼합하는 단계;
(B) 혼합된 조성물을 가열하여 용융하는 단계;
(C) 용융된 조성물을 감압 흡인하여 수분을 제거하는 단계;
(D) 수분이 제거된 용융된 조성물에 질소를 주입하여 혼련하는 단계;
(E) 질소가 혼입된 조성물을 압출 및 발포하여 코어층을 제조하는 단계;
(F) 코어층의 양면에 표피층을 형성하는 단계;
상기 (A) 단계는 폴리에스테르계 수지 100 중량부, 가교제 0.1 내지 1 중량부, 핵제 0.1 내지 5중량부, 안정제 0.0001 내지 0.001 중량부를 포함하는 조성물을 혼합한다.
상기 (B) 단계는 280 내지 300 ℃에서 수행된다.
상기 (C) 단계는 10 mbar 이하의 압력에서 이루어진다. 이때, 수분의 제거로 인하여 사슬연장 및 가교 반응이 촉진될 수 있다.
상기 (D) 단계는 질소를 히터에 의하여 가열한 후 압출기 내부에 주입하게 된다. 이때, 질소는 10 내지 25 bar의 압력으로 400 내지 600ℓ/h의 유량으로 주입되는 것이 바람직하다. 비활성 가스의 압력이 10 bar 미만인 경우 발포 시의 기포 성장이 현저하여 기포 지름이 지나치게 커지고, 25 bar을 초과하는 경우 기포 지름 및 기포 밀도의 제어가 어려워진다.
상기 (E) 단계에서 압출 조건은 200 내지 350 rpm 및 280 내지 300 ℃가 바람직하다.
상기 (F) 단계 이후에 필요에 따라 기계적 물성을 보강하기 위해 충전재를 포함하는 보강층을 더 형성하거나, 기능성 부여를 위하여 기능층을 더 형성하는 단계를 부가할 수 있다.
상기 코어층의 양면에 표피층을 형성하는 단계, 보강층을 더 형성하는 단계 및 기능층을 더 형성하는 단계는 직접 압출, 공압출, 적층, 오버몰딩 등의 방법으로 가능하고, 생산성 측면에서 공압출 방식이 가장 적합하고, 보강층등의 형성을 위해서는 접착제에 의한 적층 방식을 이용할 수 있다.
10 ; 코어층
20 ; 보강층
30 ; 표피층
40 ; 기능층

Claims (15)

  1. 열가소성 수지를 포함하는 조성물을 발포하여 형성되는 코어층;
    상기 코어층의 양면에 형성되는 표피층;
    상기 코어층과 상기 표피층 사이에 형성되고 충전제를 포함하는 보강층; 및
    상기 코어층, 상기 보강층 및 상기 표피층으로 이루어지는 적층체에 기능을 부여하기 위한 기능층을 포함하고,
    상기 코어층은 열가소성 수지 100 중량부, 가교제 0.1 내지 1 중량부, 평균 입경이 0.1 내지 50μm인 핵제 0.1 내지 5 중량부, 안정제 0.0001 내지 0.001 중량부를 포함하며,
    상기 코어층은 상기 조성물을 가열하여 용융한 후 미리 예열한 질소를 10 내지 25 bar의 압력 및 400 내지 600ℓ/h의 유량으로 주입하여 발포하며,
    상기 기능층은 자외선 흡수제, 적외선 흡수제, 대전방지제 및 항균제로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하며,
    상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리락티드(PLA)인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 발포 시트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어층에는 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및 플라스틱 스크랩으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 발포 시트.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제는 무기입자, 유기입자, 폐플라스틱 및 플라스틱 스크랩으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 발포 시트.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소는 열가소성 수지 100 중량부에 대해서 0.1 내지 10 중량부 첨가되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 발포 시트.
  10. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4 및 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 발포 시트는 식품 포장 용기에 사용되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 발포 시트.
  11. 삭제
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