KR102319818B1 - 단열성이 향상된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 발포 용기 및 이의 제조방법 - Google Patents

단열성이 향상된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 발포 용기 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결정성이 높은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트를 포함하여 단열성이 개선된 용기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 용기는 폴리에스테르 발포시트, 특히, 결정성이 높은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트를 포함하는 몸체와 바닥부를 접합한 간단한 구조를 가지므로, 경제적이고, 친환경적이며, 인체에 무해할 뿐만 아니라, 내열성, 단열성 등이 우수하여 고온/냉온 음료의 온도를 장시간 유지시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

단열성이 향상된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 발포 용기 및 이의 제조방법{Containers comprising Polyethylene terephthalate Foam sheet with improvement Thermal Insulation, and Preparation Method Thereof}
본 발명은 결정성이 높은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트를 포함하여 단열성이 개선된 용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일회용 음료 용기로 사용되는 제품은 발포식과 비발포식으로 나뉜다. 일반적으로 발포식 용기는 폴리스타이렌을 발포 가스와 혼합시켜 압출시킨 제품이 사용되고 있는데, 상기 발포식 용기는 두께를 비교적 두껍게 유지할 수 있어 형태 유지, 단열성, 가격 경쟁력이 높은 이점이 있으나 고온에서 인체에 유해한 물질이 방출되는 문제가 있다. 따라서, 고온에서 유해 물질이 방출되지 않는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 활용한 발포식 용기 소재가 점차 사용되고 있는데, 높은 결정성으로 인해 음료 용기와 같이 깊이가 깊은 형태의 열성형 용기를 제조하는데 성형이 불량한 어려움이 있다.
아울러, 비발포식 용기로는 가공성이 높은 종이를 이용한 컵이나 열에 안정한 폴리프로필렌 필름을 컵 형태로 성형한 제품이 사용되는데, 상기 비발포식 용기는 고온에서 형태변화율이 적고 유해물질이 검출되지 않으나, 가격이 비싸고 단열이 잘 되지 않는 문제가 있다.
최근 환경에 대한 관심과 함께 개인의 삶의 질에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 재사용이나 재활용이 가능하여 친환경적이고 인체에 무해하면서 용기에 담기는 물질의 상태를 장시간 동안 온전히 보존할 수 있는 다기능성 용기에 대한 필요성이 대두되고 있다.
따라서, 내열성 및/또는 단열성이 우수하여 고온 및/또는 냉온 음료의 온도를 장시간 동안 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 가격 경쟁력이 있으면서 인체에 안전하고 친환경적인 음료용 용기에 대한 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2004-0052986호 대한민국 공개특허 제2010-0083465호
이에, 본 발명의 목적은 가격 경쟁력이 있고, 인체에 안전하며, 친환경적이면서, 내열성 및/또는 단열성이 우수하여 고온 및/또는 냉온의 액체를 담아도 온도를 일정하게 유지할 수 있고, 열에 대한 형태 안정성이 우수한 음료용 용기 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 일실시예에서,
폴리에스테르 발포시트를 포함하는 몸체; 및
상기 몸체의 하단에 위치하고, 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 바닥부를 구비하며,
상기 몸체와 바닥부는 서로 접합되어 밀폐 구조를 형성하고,
몸체의 측면 높이(H)와 바닥부의 직경(D)의 비율(H/D)은 0.7 이상이며,
상기 폴리에스테르 발포시트의 결정화도는 10% 내지 30%이고,
100℃ 물을 담고 3분이 경과된 후, 몸체 외측면과 내부 물의 온도 차이가 10℃ 이상인 용기를 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용기는 결정성이 높은 폴리에스테르 발포시트를 사용하여 경제적이고, 친환경적이며, 인체에 무해할 뿐만 아니라, 깊은 깊이의 용기 제작이 가능하고, 제조된 용기의 내열성 및 단열성 등이 우수하여 고온 및/또는 냉온 음료용으로 사용 시 온도를 장시간 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "셀(cell)"이란, 고분자 내 발포에 의해 팽창된 미세구조를 의미한다.
본 발명은 용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심과 함께 개인의 삶의 질에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 재사용이나 재활용이 가능하여 친환경적이고 인체에 무해하면서 용기에 담기는 물질의 상태를 장시간 동안 온전히 보존할 수 있는 다기능성 용기에 대한 요구가 증가되고 있으나, 상기 요구를 충족시킬 만한 소재는 아직 개발되지 않고 있는 실정이다.
이에, 본 발명은 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 용기 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용기는 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 몸체와 바닥부를 접합한 간단한 구조를 가지므로, 경제적이고, 친환경적이며, 인체에 무해할 뿐만 아니라, 내열성 및/또는 단열성이 우수하여 고온 및/또는 냉온 음료의 온도를 장시간 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
용기
본 발명은 일실시예에서,
폴리에스테르 발포시트를 포함하는 몸체; 및
상기 몸체의 하단에 위치하고, 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 바닥부를 구비하며,
상기 몸체와 바닥부는 서로 접합되어 밀폐 구조를 형성하고,
몸체의 측면 높이(H)와 바닥부의 직경(D)의 비율(H/D)은 0.7 이상이며,
상기 폴리에스테르 발포시트의 결정화도는 10% 내지 30%이고,
100℃ 물을 담고 3분이 경과된 후, 몸체 외측면과 내부 물의 온도 차이가 10℃ 이상인 용기를 제공한다.
본 발명에 따른 용기는 폴리에스테르 발포시트로 구성될 수 있다. 여기서 상기 폴리에스테르 발포시트는 폴리에스테르 수지를 주성분으로 포함하여 가격이 저렴하고, 고온에서도 인체에 유해한 물질을 방출하지 않으며, 친환경적인 이점이 있다. 이러한 폴리에스테르 발포시트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene Terephthalate, PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(Polytrimethylene Terephthalate, PTT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 아디파트(Polyehtylene adipate, PEA), 폴리락트산(Poly Lactic acid, PLA), 및 폴리글리코르산(Polyglycolic acid, PGA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리에스테르 수지를 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 폴리에스테르 발포시트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리에스테르 발포시트는 10% 내지 30%의 고결정성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리에스테르 발포시트는 결정성이 높아 10% 내지 30%, 10% 내지 27%, 10% 내지 25%, 10% 내지 22%, 10% 내지 20%, 10% 내지 15%, 12% 내지 30%, 14% 내지 30%, 16% 내지 30%, 10% 내지 18%, 11% 내지 19%, 11% 내지 17%, 12% 내지 16%, 13% 내지 17%, 15% 내지 19%, 17.5% 내지 20%, 19% 내지 23%, 20% 내지 25%, 20.5% 내지 25%, 17% 내지 22%, 14% 내지 18% 또는 12% 내지 14%의 결정화도를 가질 수 있다.
아울러, 상기 폴리에스테르 발포시트는 평균 셀 밀도가 800 cells/㎠ 내지 25,000 cells/㎠일 수 있으며, 구체적으로는 800 cells/㎠ 내지 23,000 cells/㎠, 800 cells/㎠ 내지 20,000 cells/㎠, 800 cells/㎠ 내지 15,000 cells/㎠, 800 cells/㎠ 내지 11,000 cells/㎠, 800 cells/㎠ 내지 8,000 cells/㎠, 1,000 cells/㎠ 내지 5,500 cells/㎠, 4,500 cells/㎠ 내지 6,000 cells/㎠, 15,000 cells/㎠ 내지 25,000 cells/㎠, 20,000 cells/㎠ 내지 24,500 cells/㎠, 21,000 cells/㎠ 내지 24,500 cells/㎠, 900 cells/㎠ 내지 2,000 cells/㎠, 900 cells/㎠ 내지 1,800 cells/㎠, 또는 1,200 cells/㎠ 내지 1,600 cells/㎠일 수 있다.
이와 더불어, 상기 폴리에스테르 발포시트의 평균 두께는 0.5㎜ 내지 3㎜일 수 있다. 구체적으로, 상기 발포시트의 두께는 0.5㎜ 내지 2.5㎜, 1.0㎜ 내지 2.5㎜, 1.0㎜ 내지 2.5㎜, 1.5㎜ 내지 2.5㎜, 2.0㎜ 내지 2.5㎜, 1.0㎜ 내지 2.0㎜, 0.5㎜ 내지 1.5㎜, 0.5 mm 내지 1.0 mm, 0.8㎜ 내지 1.7㎜, 0.8㎜ 내지 1.2㎜ 또는 1.2㎜ 내지 1.7㎜ 일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 가짐으로써 적층 하중 및/또는 외부 충격으로부터 용기의 변형을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 온도 변화에 따른 용기의 변형을 억제할 수 있고, 용기의 내열성 및 단열효과를 증가시킬 수 있다.
하나의 예로서, 상기 용기는 온도 변화에 따른 용기의 변형이 적어 100℃ 오븐에 3분 동안 방치시키기 전후의 체적 변화를 평가하는 경우, 체적 변화율이 5% 이하일 수 있다. 여기서, 상기 "체적"이란 용기를 구성하는 바닥부 넓이와 몸체의 측면 길이를 곱하여 계산된 값으로서, 상기 용기는 0.01% 내지 5%, 0.5% 내지 5%, 0.5% 내지 4%, 0.5% 내지 3%, 0.5% 내지 2%, 1% 내지 4%, 2% 내지 4%, 3% 내지 5% 또는 3.5% 내지 5%의 체적 변화율을 가질 수 있다. 상기 고온에서의 용기 체적 변화율이 5% 이하라 함은 용기의 내열성이 우수하여 고온에서도 용기의 형태 변형이 거의 없음을 의미한다.
다른 하나의 예로서, 상기 용기는 상온(23±2℃)의 외기 조건에서, 용기 내부에 100℃의 물을, 용기 내측 전체 부피의 70%(v/v)가 되도록 채우고 3분 경과된 시점에서 용기에 담긴 물과 몸체의 외측면의 온도를 측정하는 경우, 용기 내의 물과 몸체의 외측면의 온도 편차가 10℃ 이상일 수 있으며, 구체적으로는 10 내지 35℃, 10 내지 30℃, 10 내지 20℃ 혹은 10 내지 16℃ 일 수 있다. 용기의 담긴 물과 용기 외측면의 온도 편차가 10℃ 이상이라는 것은 용기의 내부와 외부의 온도차를 비교적 높게 유지한다는 것으로, 용기의 열 차단성이 우수하고, 이에 따라 용기에 담기는 음료의 온도가 효과적으로 보존될 수 있음을 의미한다.
나아가, 본 발명에 따른 용기는 상술된 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 몸체 및 상기 몸체의 하단에 위치하는 바닥부를 포함한다.
여기서, 상기 몸체는 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니나, 성형성이나 작업성 등을 고려할 때 몸체의 상단 및 하단의 형태 및 크기가 동일한 원기둥, n각(n=5~20의 정수) 기둥이나; 몸체의 상단 및 하단의 형태는 동일하나 상단의 길이 또는 지름이 하단의 길이 또는 지름보다 큰 상광하협의 원뿔대, n각(n=5~20의 정수) 뿔대 모양의 관형일 수 있다. 예를 들어, 상기 몸체는 원형 기둥 모양이거나, 상광하협의 원뿔대 모양일 수 있다.
또한, 상기 바닥부는 관형 몸체의 하단 내측에 접합되어 관형 몸체의 하단을 밀폐시키는 구조를 형성할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 용기는 액체 물질을 담을 공간을 마련할 수 있다. 이를 위해, 상기 바닥부는 몸체 하단 내측과 동일한 모양을 가질 수 있으며, 그 크기는 몸체 하단 내측과 동일하거나 작을 수 있다.
아울러, 상기 바닥부는 열융착 또는 초음파 접착으로 접합되거나, 또는 접착제 또는 접착시트에 의해 몸체 하단 내측에 접합될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바닥부는 몸체 하단 내측에 밀어올려 삽입되되, 삽입된 바닥부와 몸체 하단 내측 사이에 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하는 접착제 또는 접착시트가 위치하여 바닥부와 몸체를 접합시킬 수 있으며, 이를 통해 음료용 용기의 하단이 완전히 밀폐될 수 있다.
이때, 상기 저융점 폴리에스테르 수지는 하기 화학식 1 및 2로 나타내는 반복단위를 포함하여, 폴리에스테르 수지 발포시트를 포함하는 몸체 및 바닥부의 접착력을 보다 공고히 할 수 있다:
Figure 112019044693370-pat00001
Figure 112019044693370-pat00002
상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
m 및 n은 저융점 폴리에스테르 수지에 함유된 반복단위의 몰 분율을 나타내고,
m+n=1을 기준으로 n은 0.05 내지 0.5이다.
구체적으로, 상기 저융점 폴리에스테르 수지는 화학식 1 및 화학식 2로 나타내는 반복단위를 포함하는 구조를 가지는 공중합 폴리에스테르 수지일 수 있다. 상기 화학식 1로 나타내는 반복단위는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)의 반복단위를 나타내고, 화학식 2로 나타내는 반복단위는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 반복단위를 포함하는 폴리에스테르 수지의 인열 특성을 개선하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 상기 화학식 2로 나타내는 반복단위는 테레프탈레이트에 결합된 에틸렌 사슬에 메틸기(-CH3)를 측쇄로 포함하여 중합된 수지의 주쇄가 회전할 수 있도록 공간을 확보함으로써 주쇄의 자유도 증가 및 수지의 결정성 저하를 유도하여 연화점(Ts) 및/또는 유리전이온도(Tg)를 조절할 수 있다. 이는 종래 결정성 폴리에스테르 수지의 결정성을 저하시키기 위하여 비대칭 방향족 고리를 함유하는 이소프탈산(isophthalic acid, IPA)을 사용하는 경우와 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
한편, 상기 용기는 몸체의 측면 높이(H)가 5㎝ 내지 20㎝일 수 있고, 구체적으로는 5㎝ 내지 20㎝, 5㎝ 내지 18㎝, 5㎝ 내지 16㎝, 5㎝ 내지 14㎝, 5㎝ 내지 12㎝, 5㎝ 내지 10㎝, 8㎝ 내지 20㎝, 10㎝ 내지 20㎝, 12㎝ 내지 20㎝, 14㎝ 내지 20㎝, 16㎝ 내지 20㎝, 7㎝ 내지 18㎝, 7㎝ 내지 16㎝ 또는 7㎝ 내지 14㎝일 수 있다.
또한, 상기 용기는 몸체의 측면 높이(H)에 대한 바닥부의 크기에 대한 비율이 일정할 수 있다. 구체적으로, 몸체의 형태가 원기둥 또는 원뿔대 모양의 관형인 경우 몸체 하단 내측에 접합된 바닥부의 형태는 원형이고, 이때 몸체의 측면 높이(H)와 바닥부의 직경(D)의 비율(H/D)은 0.7 이상, 보다 구체적으로는 0.7 내지 3.0; 0.9 내지 3.0; 1.0 내지 3.0; 1.1 내지 3.0; 1.2 내지 3.0; 1.2 내지 2.5; 1.2 내지 2.0; 1.2 내지 1.8; 1.2 내지 1.5; 1.3 내지 1.8; 1.3 내지 1.6; 1.4 내지 1.9; 1.4 내지 1.7 또는 1.5 내지 1.8일 수 있다.
본 발명은 용기의 몸체 측면 높이(H)와 바닥부의 크기(D)의 비율(H/D)을 상기와 같은 범위로 제어함으로써 음료를 보다 안정적으로 담을 수 있다.
나아가, 상기 몸체와 바닥부는 평균 두께 비율이 0.9 이상일 수 있으며, 구체적으로는 0.9 내지 1.1 또는 0.95 내지 1.05일 수 있고, 경우에 따라서는 1에 가까울 수 있다.
본 발명의 용기는 일회용 컵과 같이 몸체와 바닥부를 각각 개별 재단하여 접합시킨 것이므로, 결정화도가 높은 발포시트로도 용이하게 제조할 수 있으며, 종래 프레스 성형 등과 같이 고온 및/또는 가압 조건에서 제조되는 용기들과 비교하여 발포시트의 연신이 발생되지 않아 몸체와 바닥부의 평균 두께 비율이 높으므로, 고온 및/또는 냉온의 음료를 담는 용기로 유용하게 사용될 수 있다.
용기의 제조방법
또한, 본 발명은 일실시예에서,
폴리에스테르 발포시트를 포함하는 몸체의 내측 하단에, 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 바닥부를 밀어 올려 삽입하는 단계; 및
삽입된 바닥부와 몸체를 접합시켜 밀폐 구조를 갖는 용기를 제조하는 단계를 포함하고,
몸체의 측면 높이(H)와 바닥부의 직경(D)의 비율(H/D)은 0.7 이상이며,
상기 폴리에스테르 발포시트의 결정화도는 10% 내지 30%이고,
제조된 용기는 100℃ 물을 담고 3분이 경과된 후, 몸체 외측면과 내부 물의 온도 차이가 10℃ 이상인 용기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용기의 제조방법은 결정화도가 10% 내지 30%로 결정성이 높은 폴리에스테르 발포시트를 각각 포함하는 몸체와 바닥부를 접합함으로써 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 제조방법은 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 몸체의 내측 하단에 폴리에스테르 발포시트를 포함하는 바닥부를 밀어 올려 삽입하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 몸체는 상단 및 하단의 형태 및 크기가 동일한 원기둥, n각(n=5~20의 정수) 기둥이나; 몸체의 상단 및 하단의 형태는 동일하나 상단의 길이 또는 지름이 하단의 길이 또는 지름보다 큰 상광하협의 원뿔대, n각(n=5~20의 정수) 뿔대 모양의 관형일 수 있으며, 그 형태에 따라 적절한 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 몸체는 원기둥 모양의 관형인 경우 폴리에스테르 발포시트 제조 시 환형 노즐을 이용함으로써 제조될 수 있으며, 경우에 따라서는 저융점 폴리에스테르 수지 접착제 또는 접착시트를 사용하여 직사각형으로 재단된 폴리에스테르 발포시트의 양 말단에 말아 접합시킴으로써 제조될 수 있다.
또한, 상기 바닥부는 이렇게 제조된 몸체 하단 내측과 동일한 모양을 가질 수 있으며, 그 크기는 몸체 하단 내측과 동일하거나 작을 수 있다.
이와 더불어, 상기 제조방법은 삽입된 바닥부와 몸체의 내측이 접하는 부위에 열 및/또는 초음파를 가하여 몸체 하단에 바닥부를 접합시키는 단계를 포함한다.
상기 단계는 몸체와 바닥부를 접합하여 몸체 하단을 밀폐시키는 단계로서, 열 융착이나, 초음파 접착을 통해 수행될 수 있고, 경우에 따라서는 몸체가 닿는 바닥부의 두께 방향 면과 바닥부가 닿는 몸체 하단 내측면 사이에 위치하는 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하는 접착제 또는 접착시트에 열이 전달되도록 바닥부와 몸체가 접하는 부위에 열을 가함으로써 수행될 수 있다.
이때, 상기 접합시키는 단계는 열을 가하여 접합시키는 경우 100℃ 내지 400℃의 온도를 가하여 수행될 수 있으며, 구체적으로는 100℃ 내지 350℃, 100℃ 내지 300℃, 100℃ 내지 250℃, 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 150℃, 또는 200℃ 내지 400℃의 온도를 가하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 접합시키는 단계에서, 접착제 또는 접착시트를 이용하는 경우, 몸체 하단에 바닥부를 밀어 올려 삽입하는 단계 이전에,
몸체 하단 내측에 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하는 접착제를 도포하거나 또는 접착시트를 적층하는 단계; 또는
바닥부의 두께 방향 측면에 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하는 접착제를 도포하거나 또는 접착시트를 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 접착제 및 접착시트에 포함된 저융점 폴리에스테르 수지는 하기 화학식 1 및 2로 나타내는 반복단위를 포함하여, 폴리에스테르 수지 발포시트를 포함하는 몸체 및 바닥부의 접착력을 보다 공고히 할 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112019044693370-pat00003
[화학식 2]
Figure 112019044693370-pat00004
상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
m 및 n은 저융점 폴리에스테르 수지에 함유된 반복단위의 몰 분율을 나타내고,
m+n=1을 기준으로 n은 0.05 내지 0.5이다.
구체적으로, 상기 저융점 폴리에스테르 수지는 화학식 1 및 화학식 2로 나타내는 반복단위를 포함하는 구조를 가지는 공중합 폴리에스테르 수지일 수 있다. 상기 화학식 1로 나타내는 반복단위는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)의 반복단위를 나타내고, 화학식 2로 나타내는 반복단위는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 반복단위를 포함하는 폴리에스테르 수지의 인열 특성을 개선하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 상기 화학식 2로 나타내는 반복단위는 테레프탈레이트에 결합된 에틸렌 사슬에 메틸기(-CH3)를 측쇄로 포함하여 중합된 수지의 주쇄가 회전할 수 있도록 공간을 확보함으로써 주쇄의 자유도 증가 및 수지의 결정성 저하를 유도하여 연화점(Ts) 및/또는 유리전이온도(Tg)를 조절할 수 있다. 이는 종래 결정성 폴리에스테르 수지의 결정성을 저하시키기 위하여 비대칭 방향족 고리를 함유하는 이소프탈산(isophthalic acid, IPA)을 사용하는 경우와 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
상기 공중합 폴리에스테르 수지는 전체 수지의 몰 분율을 1로 하였을 경우, 화학식 1 및 2로 나타내는 반복단위를 0.5 내지 1로 포함할 수 있고, 구체적으로는 0.55 내지 1; 0.6 내지 1; 0.7 내지 1; 0.8 내지 1; 0.5 내지 0.9; 0.5 내지 0.85; 0.5 내지 0.7; 또는 0.6 내지 0.95로 포함할 수 있다.
또한, 공중합 폴리에스테르 수지에 포함된 화학식 2로 나타내는 반복단위의 몰 분율은 화학식 1 및 화학식 2로 나타내는 반복단위의 총 몰 분율이 1인 경우(m+n=1) 0.01 내지 1일 수 있고, 구체적으로는 0.05 내지 1; 0.05 내지 0.9; 0.05 내지 0.8; 0.05 내지 0.7; 0.05 내지 0.6; 0.05 내지 0.5; 0.05 내지 0.4; 0.05 내지 0.3; 0.1 내지 0.3; 0.55 내지 1; 0.6 내지 1; 0.7 내지 1; 0.8 내지 1; 0.5 내지 0.9; 0.5 내지 0.85; 0.5 내지 0.7; 0.6 내지 0.95; 0.05 내지 0.4, 0.15 내지 0.35; 또는 0.2 내지 0.3일 수 있다. 여기서, 화학식 1로 나타내는 반복단위의 몰 분율이 0(m=0)이고 화학식 2로 나타내는 반복단위의 몰 분율이 1(n=1)인 공중합 폴리에스테르 수지는 화학식 2로 나타내는 반복단위를 주쇄로 포함하는 구조를 가질 수 있다.
아울러, 상기 공중합 폴리에스테르의 연화점은 100℃ 내지 130℃일 수 있으며, 구체적으로는 110℃ 내지 120℃; 115℃ 내지 125℃; 118℃ 내지 128℃; 120℃ 내지 125℃; 121℃ 내지 124℃; 124℃ 내지 128℃ 또는 119℃ 내지 126℃일 수 있다.
나아가, 상기 공중합 폴리에스테르 수지는 50℃ 이상의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있다. 구체적으로 상기 유리전이온도는 50℃ 내지 80℃일 수 있으며, 보다 구체적으로 50℃ 내지 60℃, 60℃ 내지 70℃, 70℃ 내지 80℃, 50℃ 내지 55℃, 55℃ 내지 60℃, 60℃ 내지 65℃, 65℃ 내지 70℃, 68℃ 내지 75℃, 54℃ 내지 58℃, 58℃ 내지 68℃, 59℃ 내지 63℃, 또는 55℃ 내지 70℃일 수 있다.
본 발명에 따른 공중합 폴리에스테르 수지는 화학식 2로 나타내는 반복단위를 포함하여 폴리에스테르 수지의 연화점(Ts), 및/또는 유리전이온도(Tg)를 상기 범위로 조절할 수 있으므로 100℃ 내지 200℃에서 열 접착성을 구현할 수 있다.
한편, 상기 폴리에스테르 발포시트는 당업계에서 통상적으로 사용되는 원료 성분들로부터 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리에스테르 발포시트는 디카르복실산 성분과 글리콜 성분을 반응시키거나 히드록시카르복실산 성분을 반응시켜 얻을 수 있는 폴리에스테르계 수지를 함유할 수 있다.
여기서, 상기 디카르복실산 성분으로는 테레프탈산(terephthalic acid), 나프탈렌 디카르복실산(naphthalene dicarboxylic acid) 및 아디프산(adipic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
또한, 상기 글리콜 성분으로는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 부틸렌 글리콜(butylehe glycol) 및 2-메틸-1,3-프로판디올(2-methyl-1,3-propanediol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 히드록시카르복실산 성분은 락트산(lactic acid) 및 글리콜산(glycolic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
하나의 예로서, 본 발명에서 사용되는 폴리에스테르 발포시트는 테레프탈산과 에틸렌 글리콜을 반응시킨 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)일 수 있다.
한편, 상기 폴리에스테르계 수지는 펠렛(pellet), 그래뉼(granule), 비드(bead), 칩(chip), 분말(powder) 등의 형태로 도입될 수 있고, 경우에 따라서는 용융된 상태로 도입될 수도 있다.
하나의 예로서, 상기 폴리에스테르계 수지는 칩(chip) 형태로 압출기에 도입되어 압출 발포될 수 있으며, 이 경우, 수지 칩(resin chip)의 용융을 위하여 260℃ 내지 300℃의 온도에서 수지 칩을 용융하는 과정을 거칠 수 있다.
또한, 발포시트를 제조하는 단계는 발포시트의 기능화를 위하여 폴리에스테르계 수지의 압출기 도입 시 다양한 형태의 첨가제를 필요에 따라 유체 연결 라인 중에 투입되거나, 혹은 발포 공정 중에 투입할 수 있다.
구체적으로 상기 첨가제들은 배리어(Barrier) 성능, 친수화 기능 또는 방수 기능을 발포시트에 부여할 수 있으며, 증점제, 계면활성제, 친수화제, 열안정제, 방수제, 셀 크기 확대제, 적외선 감쇠제, 가소제, 방화 화학 약품, 안료, 탄성폴리머, 압출 보조제, 산화방지제, 기핵제, 공전 방지제 및 UV 흡수제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명의 발포시트 제조방법은 증점제, 기핵제, 열안정제 및 발포제 중 1종 이상을 투입할 수 있으며, 앞서 열거된 기능성 첨가제들 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 증점제는 특별히 한정하지 않으나, 본 발명에서는 예를 들면 피로멜리트산 이무수물(PMDA)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 열안정제는 유기 또는 무기 인 화합물일 수 있다. 이러한 유기 또는 무기 인 화합물로는 예를 들어, 인산 및 그 유기 에스테르, 아인산 및 그 유기 에스테르일 수 있다. 예를 들어, 상기 열안정제는 상업적으로 입수 가능한 물질로서, 인산, 알킬 포스페이트 또는 아릴 포스페이트일 수 있고, 보다 구체적으로, 트리페닐 포스페이트일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러, 상기 발포제의 예로는, 질소(N2), 이산화탄소(CO2), 프레온, 부탄, 펜탄, 네오펜탄, 헥산, 이소헥산, 헵탄, 이소헵탄, 메틸클로라이드 등의 물리적 발포제, 또는 아조디카르본아마이드(azodicarbonamide)계 화합물, p,p'-옥시비스(벤젠술포닐하이드라지드)[p,p'-oxy bis (benzene sulfonyl hydrazide)]계 화합물, N,N'-디니트로소펜타메틸렌테트라아민(N,N'-dinitroso pentamethylene tetramine)계 화합물 등의 화학적 발포제가 있으며, 구체적으로 본 발명에서는 이산화탄소(CO2)가 사용될 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에서 수행되는 압출은 다양한 형태의 압출기를 이용하여 수행 가능하다. 발포 공정은 통상적으로 비드 발포 또는 압출 발포를 통해 수행할 수 있으나, 본 발명에서는 압출 발포가 바람직하다. 압출 발포는 수지 혼합물을 연속적으로 압출 및 발포시키므로 공정 단계를 단순화할 수 있고, 대량 생산이 가능하며, 비드 발포 시의 비드 사이에서 균열과 입상 파괴 현상 등을 방지할 수 있으므로 보다 우수한 굴곡강도 및 압축강도를 구현할 수 있다.
나아가, 본 발명에서 사용되는 폴리에스테르 발포시트는 몸체 및 바닥부로 사용되기 이전에 150℃ 내지 300℃에서 10초 내지 100초간 열처리될 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리에스테르 발포시트는 150℃ 내지 250℃ 또는 180℃ 내지 220℃에서 10초 내지 70초, 10초 내지 60초, 10초 내지 30초, 15초 내지 25초, 30 내지 70초, 30 내지 50초, 또는 50 내지 70초간 열처리된 폴리에스테르 발포시트일 수 있다.
본 발명은 150℃ 이상의 온도에서 일정 시간 동안 폴리에스테르 발포시트를 열 처리함으로써 상기 발포시트의 내열성을 100℃ 이상으로 향상시킬 수 있으며, 이와 같이 열처리된 폴리에스테르 발포시트를 몸체 및 바닥부의 소재로 사용하여 용기의 높은 단열성을 구현할 수 있다. 이때, 상기 "내열성"이란 발포시트에 열을 가하여 발포시트의 형태가 변형되는 온도를 의미할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 6.
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 수지 100 중량부를 130℃에서 건조하여 수분을 제거하였고, 제 1 압출기에 상기 수분이 제거된 PET 수지와 상기 수분이 제거된 PET 수지 100중량부를 기준으로, 피로멜리틱 디언하이드리드 1중량부, 탈크 1중량부 및 Irganox (IRG 1010) 0.1 중량부를 혼합하고, 280℃로 가열하여 수지 용융물을 제조하였다. 그런 다음, 제 1압출기에 발포제로서 부탄가스를 PET 수지 100 중량부를 기준으로 5 중량부 투입하고 압출 발포하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트를 제조하였다. 제조된 발포시트의 셀 밀도, 결정화도 및 평균 두께는 하기 표 1에 나타내었다.
그런 다음, 제조된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트를 200℃ 챔버에서 하기 표 1에 나타낸 시간 동안 열 처리하고, 열 처리된 발포시트를 부채꼴(큰 원호: 22.2 ㎝, 작은 원호: 15.7 ㎝, 측면 길이: 7.5 ㎝) 및 원(지름: 5 ㎝)으로 재단하였다. 그 후, 부채꼴로 재단된 발포시트의 한쪽 말단 외측과 나머지 말단 내측에 저융점 폴리에스테르 접착시트를 약 5㎜ 두께로 붙이고, 양 말단을 말아 겹치도록 한 후 130±2℃의 열을 가하여 몸체를 만들었다. 만들어진 몸체 하단(작은 원호 쪽) 내측에 저융점 폴리에스테르 접착제를 약 2±0.1 mm 두께로 도포하고, 앞서 재단된 원형의 발포시트를 밀어 넣어 위치시킨 다음 130℃의 열을 가하여 몸체에 바닥부를 접합시킴으로써 일회용 컵 형태의 용기를 제조하였다. 이때, 상기 용기의 측면 높이(H)는 7㎝이고, 바닥면 직경(D)은 5㎝이다(H/D=1.4).
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
셀 밀도[Cell/㎠] 350 350 350 460 460 460
평균 두께[mm] 1.5 1.5 1.5 1 1 1
결정화도[%] 12 15 18 15 18 21
열 처리 시간[초] 20 40 60 20 40 60
몸체와 바닥부의 두께 비율 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
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비교예 1.
시판되고 있는 종이컵을 구입하였다. 이때, 상기 종이컵의 측면 높이(H)와 바닥면 직경(D)는 실시예 1의 용기와 동일하고, 종이컵의 평균 두께는 1±0.1 ㎜였다.
비교예 2.
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트 대신에 시중에서 폴리프로필렌 필름(PP rigid film, 평균 두께: 0.7±0.05 ㎜)을 구입하여 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 용기를 제조하였다.
이때, 상기 폴리프로필렌 필름의 발포밀도는 900 cell/㎠이고, 몸체와 바닥부의 두께 비율은 1.0이었다.
비교예 3.
실시예 1과 동일한 조건의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트(셀밀도: 350 cell/㎠, 평균 두께: 1.5mm, 결정화도: 4%)를 준비하였다. 그런 다음, 준비된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트를 열처리 없이 프레스 성형기에 도입하여 발포시트의 표면온도가 160℃가 되도록 한 후, 수형 금형(Plug) 온도를 60℃, 암형 금형(Mold)를 120℃로 10초간 프레스 하여 용기를 제조하였다. 금형의 H/D는 1.0로, 수용부의 깊이(H)는 10cm, 개구부의 직경(D)은 10cm 인 용기 디자인을 적용하였으며, 제조된 용기의 몸체와 바닥부의 두께 비율은 0.5였다.
비교예 4 및 5.
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포시트의 열 처리를 별도로 수행하지 않고, 발포시트의 ① 셀 밀도, ② 평균 두께 및 ③ 결정화도를 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 조절하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 용기를 제조하였다.
비교예 4 비교예 5
셀 밀도 [Cell/㎠] 350 460
평균 두께 [mm] 1.5 1
결정화도 [%] 4 6
열 처리 시간 [초] 0 0
몸체와 바닥부의 두께 비율 1.0 1.0
실험예 .
본 발명에 따른 용기의 열적 성능을 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
가) 단열성 평가
실시예 1~6과 비교예 1~5에서 준비된 각 용기에 100℃의 물을 용기 수용부의 70 부피%가 되도록 담고, 상온(20℃), 상압(1 atm) 조건에서 3분 동안 방치하였다. 이후, 수용부에 담긴 물의 온도와 용기 몸체의 외측면 온도를 측정하고, 측정된 온도의 편차를 산출하였다.
가) 내열성 평가
실시예 1~6과 비교예 1~5에서 준비된 각 용기에 대하여 윗면과 밑면의 직경과 높이를 측정하고, 측정된 직경과 높이로부터 각 용기의 체적을 산출하였다. 그런 다음, 각 용기를 100℃의 오븐에서 3분간 방치하여 열처리하고 상온으로 다시 냉각시킨 후 상술된 방법과 동일한 방법으로 용기의 체적을 산출하고, 열처리 전후 용기의 체적 변화율을 도출하였다.
발포시트의 열처리 시간 결정화도 몸체 및 바닥부의
두께 비율		 단열성 [℃] 내열성 [%]
실시예 1 20 12 1 15 4
실시예 2 40 15 1 15 3
실시예 3 60 18 1 15 2
실시예 4 20 15 1 10 3
실시예 5 40 18 1 10 3
실시예 6 60 21 1 10 1
비교예 1 0 0 1 5 3
비교예 2 0 0 1 0 1
비교예 3 0 4 0.5 8 8
비교예 4 0 6 1 15 10
비교예 5 0 4 1 10 8
상기 표 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 용기는 단열성과 내열성이 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 실시예에서 제조된 용기들은 100℃의 물을 담고 3분이 경과된 이후에도 용기 외측면 온도가 물의 온도와 10℃ 이상 차이 나는 것으로 나타난 반면, 종이나 폴리프로필렌 필름으로 제조되거나 열 성형을 통해 제조된 비교예에서 제조된 용기들은 10℃ 미만의 낮은 온도 편차를 나타냈다. 이는 실시예에서 제조된 용기들의 열차단성이 우수하여 용기 내부와 외부의 온도 차이가 비교적 크게 유지됨을 의미하는 것이다.
또한, 실시예에서 제조된 용기들은 100℃의 고온 조건에 방치되어도 체적 변화율이 5% 미만인 것으로 확인되었다. 그러나, 발포시트를 이용하여 제조한 비교예의 용기들은 체적 변화율이 8% 이상인 것으로 확인되었다. 이는 실시예의 용기들이 내열성이 우수하여 급격한 온도 변화에도 용기의 형태 변형이 거의 없음을 의미한다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 용기들은 내열성 및/또는 단열성(즉, 보온성)이 우수한 것을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 폴리에스테르 발포시트로 이루어진 몸체; 및
    상기 몸체의 하단에 위치하고, 폴리에스테르 발포시트로 이루어진 바닥부를 구비하며,
    상기 몸체와 바닥부는 서로 접합되어 밀폐 구조를 형성하고,
    상기 몸체와 바닥부는 평균 두께 비율이 0.9 내지 1.1이며,
    몸체의 측면 높이(H)와 바닥부의 직경(D)의 비율(H/D)은 0.7 이상이고,
    상기 폴리에스테르 발포시트는 결정화도가 10% 내지 30%이며, 150℃ 내지 300℃에서 10초 내지 100초간 열처리된 것이고,
    100℃ 물을 담고 3분이 경과된 후, 몸체 외측면과 내부 물의 온도 차이가 10℃ 이상인 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    용기는 100℃ 오븐에 3분간 방치한 후의 체적 변화율이 5% 이하인 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    폴리에스테르 발포시트는 0.5㎜ 내지 3㎜의 평균 두께를 갖는 단일 발포시트인 것을 특징으로 하는 용기.
  4. 제1항에 있어서,
    몸체의 측면 높이(H)는 5㎝ 내지 20㎝인 용기.
  5. 제1항에 있어서,
    폴리에스테르 발포시트의 평균 셀 밀도는 800 cells/㎠ 내지 25,000 cells/㎠인 용기.
  6. 제1항에 있어서,
    폴리에스테르 발포시트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene Terephthalate, PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(Polytrimethylene Terephthalate, PTT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 아디파트(Polyehtylene adipate, PEA), 폴리락트산(Poly Lactic acid, PLA), 및 폴리글리코르산(Polyglycolic acid, PGA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 용기.
  7. 제1항에 있어서,
    용기는 음료용 용기인 것을 특징으로 하는 용기.
  8. 폴리에스테르 발포시트로 이루어진 몸체의 내측 하단에, 폴리에스테르 발포시트로 이루어진 바닥부를 밀어 올려 삽입하는 단계; 및
    삽입된 바닥부와 몸체를 접합시켜 밀폐 구조를 갖는 용기를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 몸체와 바닥부는 평균 두께 비율이 0.9 내지 1.1이며,
    몸체의 측면 높이(H)와 바닥부의 직경(D)의 비율(H/D)은 0.7 이상이고,
    상기 폴리에스테르 발포시트는 결정화도가 10% 내지 30%이며, 150℃ 내지 300℃에서 10초 내지 100초간 열처리된 것이고,
    제조된 용기는 100℃ 물을 담고 3분이 경과된 후, 몸체 외측면과 내부 물의 온도 차이가 10℃ 이상인 용기의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 몸체와 바닥부의 접합은 열 융착, 초음파 접착, 접착제 및 접착시트 중 어느 하나 이상에 의해 수행되는 용기의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    접착제 또는 접착시트는 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하고,
    상기 저융점 폴리에스테르 수지는 하기 화학식 1 및 화학식 2로 나타내는 반복단위를 포함하며, 연화점이 100℃ 내지 130℃이거나 유리전이온도가 50℃ 내지 80℃인 용기의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure 112021020922046-pat00005

    [화학식 2]
    Figure 112021020922046-pat00006

    상기 화학식 1 및 화학식 2에서,
    m 및 n은 저융점 폴리에스테르 수지에 함유된 반복단위의 몰 분율을 나타내고,
    m+n=1을 기준으로 n은 0.05 내지 0.5이다.
  12. 제8항에 있어서,
    몸체 하단에 바닥부를 밀어 올려 삽입하는 단계 이전에,
    몸체 하단 내측에 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하는 접착제를 도포하거나 또는 접착시트를 적층하는 단계; 또는
    바닥부의 두께 방향 측면에 저융점 폴리에스테르 수지를 포함하는 접착제를 도포하거나 또는 접착시트를 적층하는 단계를 더 포함하는 용기의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    몸체 하단에 바닥부를 접합시키는 단계는 100℃ 내지 400℃의 온도를 가하여 수행되는 용기의 제조방법.
  14. 삭제
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