KR102399036B1 - 친환경 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 유해물질을 포함하지 않아, 환경 및 인체에 대하여 친환경적인 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 플렉소 인쇄용 잉크 조성물은 우수한 백색도, 내스크래치성 및 접착 강도가 뛰어나고 고농도 저점도의 잉크를 통한 유기용제 사용 감소, 건조시 에너지와 배출 가스 감소, 식품포장재의 seal 강도 증대 및 작업성이 개선될 수 있으므로 다양한 경제성을 제공한다.

Description

친환경 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법{Eco-friendly ink composition for aqueous flexographic printing and process for preparing the same}

본 발명은 친환경 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 유해물질을 포함하지 않아, 환경 및 인체에 대하여 친환경적인 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

식품을 보호하기 위한 포장재의 사용량이 증가하고 있으며, 식품포장재는 단순히 내용물을 보호하는데 그치지 않고 외면적으로는 광고 효과를 높이고, 내면적으로는 식품이 직접 접촉되더라도 인체에 무해할 필요가 있다.

최근 천연, 유기농, 친환경성 등을 추구하는 소비자들이 증가함에 따라, 식품 포장재 분야에서도 이러한 경향을 반영하여 다양한 기능성을 가지는 포장재들이 개발되고 있다.

이러한 포장재들은 일반적으로 그라비어 인쇄를 통하여 제조되며, 상기 그라비어 인쇄는 톨루엔(Toluene), 메틸 에틸케톤(MethylEthyl Ketone; MEK), 에틸아세테이트(Ethyl Acetate; EA), 크실렌(Xylene), 에틸셀로솔브 (Ethyl Cellosolve; EC) 등의 유기 용제를 함유한 잉크를 사용하고 있다.

이러한 유기용제들은 전부 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compound; VOC)에 해당하고, 악취는 물론 그 자체로서도 인체나 환경에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

구체적으로, 이러한 유기용제는 인쇄의 건조 공정에서 대기 중으로 방출되어 대기 오염원이 되고, 작업자에 직접 노출되어 인체에 유해하며, 인쇄 작업시 화재의 위험성을 안고 있다. 특히, 포장재에 이러한 유기 용제가 잔류하면 위생적인 인쇄물을 얻을 수 없고 인체에도 유해하다는 문제점이 있다.

한편, 플렉소 인쇄(Flexographic printing) 방식은 활판방식에 속하지만 포장 인쇄분야에서는 그라비어 인쇄와 함께 많이 사용되어 별도로 취급한다. 이 방식에서는 통상의 활판보다도 연한 고무나 감광성 수지판이 판재료로서 이용되고 잉크는 그라비어 잉크와 유사한 낮은 점도의 것으로 용제계 또는 수분계의 것이 이용된다.

플렉소 인쇄는 기타 다른 인쇄 특히, 그라비아 인쇄에 비해서 제판이 간단하고 코스트도 싸며 판의 복제도 쉬우므로 판의 부분적인 교환이 가능한 점 등 많은 메리트를 갖고 있으며 그 경제성으로 인해 소량 롯트의 인쇄에도 적합하다. 잉크 도막이 얇고 물 또는 알콜을 사용함으로 잔류용제가 적거나 무해하여 클린 패키지 작업환경을 실현할 수 있다.

플렉소 인쇄는 저점도, 고농도의 잉크를 사용하며, 저점도는 화상을 정확하게 재현할 수 있고 잉크의 순환성도 좋아 작업적성이 향상되며 고농도는 원고의 색을 충실하게 재현하고 물을 혼입하여도 농도저하의 영향이 적다.

근래에는 화재에 대한 안전성, 위생적인 작업환경, 인쇄물의 잔류용제 저감의 필요로 필름이나 알루미늄 호일 등의 비흡수성의 피인쇄체까지 수성잉크를 사용하고 있다. 또한 인쇄공정에서의 온도, 습도의 영향을 적게 받고 비교적 광폭 인쇄조건에도 안정한 인쇄 작업을 행한다.

그런데, 플렉소 인쇄는 그라비어 인쇄 등과는 달라서 인쇄판 재료에 고무나 감광성 수지를 사용하고 있기 때문에 잉크용제와 사용하는 바인더에도 제약이 생긴다. 따라서, 잉크의 점도와 유동성 조정, 분산계의 안정화, 안료 분산효과, 안료 고착 등의 기능을 가지고 있어야 하므로 이러한 플렉소 잉크의 물성을 개선하려는 지속적인 요구가 있다.

한국 공개번호 제10-2021-0042200호(2021년04월19일) 한국 등록번호 제10-2160953호(2020년09월23일) 한국 등록번호 제10-2068154호(2020년01월14일)

이에 본 발명자들은 플렉소 인쇄용 잉크에 수반되는 종래 기술의 문제점들을 해소하고, 우수한 백색도, 내스크래치성 및 접착 강도가 뛰어나고 고농도 저점도의 잉크를 통한 유기용제 사용 감소, 건조시 에너지와 배출 가스 감소, 식품포장재의 seal 강도 증대 및 작업성이 개선된 플렉소 잉크 조성물을 제공하기 위하여 예의 연구한 결과, 후술하는 바와 같이 폴리우레탄 수지를 주성분으로 사용하여 제조되는 잉크 조성물이 이러한 요건을 만족시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은, 플렉소 인쇄용 잉크에 수반되는 종래 기술의 문제점들이 해소되고, 우수한 백색도, 내스크래치성 및 접착 강도가 뛰어나고 고농도 저점도의 잉크를 통한 유기용제 사용 감소, 건조시 에너지와 배출 가스 감소, 식품포장재의 seal 강도 증대 및 작업성이 개선된 플렉소 잉크 조성물을 제공하는 것에 있다.

위와 같은 본 발명의 목적은, 일면에 있어서

안료, 폴리우레탄 수지, 비닐 수지, 희석 용제로서 물 및 첨가제를 함유하고, 상기 폴리우레탄 수지는 다음의 화학식 (1)로 표시되고, 200 내지 500cps(25℃)의 점도 및 80,000 내지 150,000의 중량평균분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법에 의해 달성될 수 있다.

(상기 식 (1)에서, R은 폴리올이고, R'은 이소시아네이트이고, R"은 아민이고, n은 8 내지 40의 정수이다.)

따라서, 본 발명에 따른 플렉소 인쇄용 잉크 조성물은 우수한 백색도, 내스크래치성 및 접착 강도가 뛰어나고 고농도 저점도의 잉크를 통한 유기용제 사용 감소, 건조시 에너지와 배출 가스 감소, 식품포장재의 seal 강도 증대 및 작업성이 개선될 수 있으므로 다양한 경제성을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물의 제조 공정도이다.

본 발명은, 일면에 있어서,

안료, 폴리우레탄 수지, 비닐 수지, 희석 용제로서 물 및 첨가제를 함유하고, 상기 폴리우레탄 수지는 다음의 화학식 (1)로 표시되고, 200 내지 500cps(25℃)의 점도 및 80,000 내지 150,000의 중량평균 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법을 제공한다.

(상기 식 (1)에서, R은 폴리올이고, R'은 이소시아네이트이고, R"은 아민이고, n은 8 내지 40의 정수이다.)

이하, 본 발명에 따른 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물 및 그의 제조 방법에 관하여 첨부 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 있어서 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물이 중량부 또는 중량%로 표기되고, 개별 성분의 합이 계산식에 의하여 100 중량%를 초과하는 실시 불가능한 부분을 포함할 수 있으나, 그러한 초과부 또는 실시 불가능한 부분은 본 발명의 범위에서 포함되지 않음은 자명하고, 특히 특허청구범위에 있어서 이를 명확히하는 보정, 예를 들면 100 중량%를 초과하는 범위는 본 발명의 범위에서 제외한다 등의 단서 조항을 추가하는 보정은 불명료한 기재를 석명하는데 그치는 것이고, 본 발명의 성질이나 범위에 영향을 주지 않는 것은 자명한 것이다.

본 발명에 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물은 VOC 규제 물질을 전혀 사용하지 않는 것으로써, 우수한 백색도, 내스크래치성 및 접착 강도가 뛰어나고 고농도 저점도의 잉크를 통한 유기용제 사용 감소, 건조시 에너지와 배출 가스 감소, 식품포장재의 seal 강도를 증대시킬 수 있으므로 작업성이 개선되는 등 다양한 이점을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물은 안료 18 내지 40중량%, 폴리우레탄 수지 15 ~ 30 중량%, 비닐 수지 4 ~ 12 중량%, 물 26 ~ 50.5 중량%, 및 첨가제 3.9 ~ 10.1 중량%를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물의 제조 공정도이다.

먼저, 안료, 폴리우레탄 수지, 비닐수지, 물 및 필요에 따른 첨가제를 정해진 비율로 배합한 후, 상기 안료 표면을 물로 감싸도록 혼합하는 예비혼합을 한다. 이어서, 분산 공정에서는 상기 안료를 분산시켜 미립자화하고 필요에 따라, 잉크에 기능을 부여하는 조정 공정을 포함할 수 있다. 이에 의해 완성된 잉크 조성물에 대하여는, 잉크의 접착성, 점도, 광택 등의 물성을 검사하는 품질 검사 공정을 거쳐 소정의 단위로 포장 후 최종 출하된다.

본 발명의 잉크 조성물에 포함되는 안료는 색상을 표현하기 위한 물질로, 유기안료, 무기안료 등을 포함할 수 있다. 상기 안료로는 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 사용되는 안료를 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들어, 아조-레이크(azo lake), 불용성 아조계, 축합 아조계, 프탈로시안계, 산화티탄, 카본블랙, 탄산칼슘, 알루미늄분, 브론즈 분, Solvent Dye 등을 색상 및 품질에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

상기 폴리우레탄 수지는 다음의 화학식 (1)로 표시되고, 200 내지 500cps(25℃)의 점도 및 80,000 내지 150,000의 중량평균분자량을 갖는 것을 특징으로 한다.

(상기 식 (1)에서, R은 폴리올이고, R'은 이소시아네이트이고, R"은 아민이고, n은 8 내지 40의 정수이다.)

상기 폴리우레탄 수지는 피인쇄체에 대하여 플렉소 잉크 조성물을 접착시키는 바인더로서의 역할을 수행하는 것으로서, 잉크와 피인쇄체 간의 밀착성을 높여주고, 플렉소 인쇄의 재용해성 및 발색력, 광택이 우수하여 인쇄의 품질을 향상시킨다.

예를 들어, 본 발명의 플렉소 인쇄용 잉크 조성물은 OPP 필름, PET 필름, 나일론 필름이나 알루미늄 호일 등의 표면에 인쇄되는 것으로서, 상기 폴리우레탄 수지는 이와 같은 다양한 소재에 대하여 우수한 접착성을 제공할 수 있어, 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 폴리우레탄 수지는 잔류 용제가 적고, 라미네이트 가공성, 내내용물성(식용유, 식초, 향료), 내레토르트(Retort)성 등의 우수한 피막성능을 가지고 있어, 스낵(Snack), 보일(Boil), 고압 레토르트(Hi-Retort) 제품의 포장지 등에도 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명의 폴리우레탄 수지는 말단에 -NH₂ 기를 갖는 것으로서, 폴리올을 이소시아네이트, 아민화합물 및 글리콜과 반응시켜 생성된 것을 사용할 수 있다.

먼저, 상기 폴리올은 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 폴리카보네이트 폴리올 및 폴리카프로락탐 폴리올의　폴리올 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 폴리올을 혼합하여 사용함으로써 얻어지는 폴리우레탄의 물성을 향상시킬 수 있고, 작업성을 향상시킬 수 있다.

상기 폴리에스테르 폴리올은 산과 하이드록시 화합물의 중축합 반응에 의해 합성되는 폴리올과, 카프로락톤 모노머의 개환부가중합에 의해 합성되는 폴리올 등으로 분류할 수 있는데, 이들 모두 폴리우레탄의 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 것으로서, 본 발명에서 적합하게 사용할 수 있다. 그러나, 상기 폴리에스테르 폴리올을 단독으로 사용하는 경우에는 조성물의 점도가 높아 작업 공정에 문제가 발생할 수 있으며, 폴리우레탄의 내구성이 저하되는 문제가 있다.

상기 폴리에테르 폴리올은 알칼리 촉매의 존재 하에서 저분자량의 디올 또는 트리올에 에폭사이드를 부가하여 반응시킴으로써 제조되는 것으로서, 상기 폴리에스테르 폴리올에 비하여 내가수분해성이 우수한 특징을 갖는다. 그러나, 이러한 폴리에테르 폴리올을 단독으로 사용하는 경우에는 내용제성은 우수하나, 발색성이 저하하는 문제가 있으며, 또한, 조성물의 접착력이 부족하게 되는 한계가 있다.

상기 폴리카보네이트 폴리올은 양 말단에 OH기를 갖고 주쇄에 카보네이트가 결합한 구조를 갖는 것으로서, 이러한 폴리카보네이트 폴리올은 폴리우레탄에 대하여 내수성, 내열성, 내후성이 우수한 특징을 제공할 수 있다. 그러나, 상기 폴리카보네이트 폴리올을 단독으로 사용하는 경우에는 조성물의 점도가 높아지고, 가격이 비싸 원재료 비용의 상승을 초래한다.

상기 폴리카프로락탐 폴리올은 락톤 또는 그 유도체에 소량의 디올, 트리올 또는 아민류를 개시제로 하여 개환부가반응을 통해 얻어지는 폴리올이다.

본 발명은 상기와 같은 각 폴리올을 혼합하여 사용함으로써 각 폴리올이 갖는 장점을 활용하면서, 또한 각 폴리올이 갖는 문제점을 다른 폴리올의 사용에 의해 상쇄시킴으로써 폴리우레탄의 물성을 향상시키고, 또한 조성물의 작업성 등을 향상시키고자 하는 것이다.

상기 각 폴리올의 혼합비는 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 기준으로, 폴리에스테르 폴리올 1 내지 10중량%, 폴리에테르 폴리올 1 내지 10중량%, 폴리카보네이트 폴리올 1 내지 10중량% 및 폴리카프로락탐 폴리올 1 내지 10중량%의 함량으로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 각 폴리올을 상기 범위의 함량비로 혼합하여 사용함으로써 바인더로서 저점도, 내용제성, 피막강도, 유연성, 발색성, 면평활성의 측면에서 우수한 물성을 확보할 수 있다.

상기 각 폴리올은 중량평균분자량이 1,000 이상 4,000 이하를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폴리올 혼합물을 구성하는 어느 하나의 폴리올의 중량평균분자량이 1,000 미만이면 폴리우레탄의 물성이 저하할 우려가 있고, 4,000을 초과하면 건조성에 문제를 초래할 수 있다.

상기 폴리올은 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 에 대하여, 20 내지 40중량%의 범위로 포함하는 것이 바람직하다. 폴리올을 상기와 같은 범위 내의 함량으로 사용하는 경우에 잉크의 요구 물성을 충족시키는데 바람 직하다.

상기 이소시아네이트는 폴리올, 글리콜, 아민류와 반응하여 폴리우레탄 우레아 결합을 형성한다.

상기 이소시아네이트는 지방족 이소시아네이트 또는 방향족 이소시아네이트일 수 있다. 상기 지방족 이소시아네이트로는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylenediisocyanate; HDI), 이소포론디이소시아네이트(isophoronediisocyanate; IPDI), 4,4'-메틸렌디시클로헥 실디이소시아네이트(4,4'-methylenedicyclohexyl diisocyanate; H₁₂MDI) 등을 들 수 있고, 방향족 이소시아네이트는 메틸렌디페닐디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate;MDI), 2,4-톨루엔디이소시아네이트(2,4-toluene diisocyanate; TDI) 또는 2,6-톨루엔디이소시아네이트(2,6-toluene diisocyanate; TDI) 등을 들 수 있다. 이들은 어느 하나를 단독으로 사용할 수 있으며, 또 이들을 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 이소시아네이트는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 상기 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 기준으로, 10 내지 20 중량%의 범위로 포함된다. 이소시아네이트의 함량이 10중량% 미만이면 접착력, 내용제성, 내구성 등의 물성 저하를 초래할 수 있고, 20중량%를 초과하면 잉크의 점도가 높아 작업속도 저하를 초래하고, 경도가 지나치게 높아지는 문제가 있다.

상기 방향족 이소시아네이트와 지방족 이소시아네이트를 1: 0.9~ 1.1의 중량비로 사용하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 1:1의 중량비로 사용하는 것이 좋다.

방향족 디이소시아네이트와 지방족 디이소시아네이트를 상기한 범위 내로 사용함으로써 수분산시 물 분자와의 급격한 반응성으로 인한 응집 또는 겔화를 방지하여 분산체의 입자 안정성을 양호하게 할 수 있고 적절한 점도를 유지할 수 있다.

상기 폴리우레탄의 합성에 있어서는 작업성 및 잉크의 물성을 충족시키기 위해 쇄연장제로서 아민화합물을 포함한다. 상기 아민화합물은 상기 이소시아네이트와 반응하여 우레아 결합을 생성한다.

상기 아민 화합물로는 예를 들어, 메틸아민(Methylamine), 트리메틸 아민(Trimethylamine), 에틸아민(Ethylamine), 아닐린(Aniline), 디에틸아민(Diethylamine), 벤질아민(Benzylamine)을 들 수 있고, 이들은 어느 하나를 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 아민 화합물은 상기 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 기준으로, 2 내지 5중량%의 범위로 포함된다. 아민화합물의 함량이 2중량% 미만이면 내구성 저하의 문제가 있고, 5중량%를 초과하면 높은 점도로 인해 작업 공정상의 건조성, 작업속도 및 유연성 등에 문제를 야기할 수 있다.

상기 폴리우레탄의 합성에 있어서는 작업성 및 잉크의 물성을 충족시키기 위해 쇄연장제 또는 가교제로서 글리콜을 더 포함한다. 상기 글리콜을 포함함으로써 고분자량 폴리우레탄 수지를 얻을 수 있다.

상기 글리콜로는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 및 부타디엔글리콜(Butadiene glycol)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다.

상기 글리콜은 상기 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 기준으로, 2 내지 5중량%의 범위로 포함된다. 글리콜의 함량이 2중량% 미만이면 내구성 저하의 문제가 있고, 5중량%를 초과하면 높은 점도로 인해 작업 공정상의 건조성, 속도 및 유연성 등의 문제가 있다.

본 발명에 있어서, 폴리우레탄의 제조에 있어서는 반응 촉매 및 산화방지제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 반응 촉매는, 폴리우레탄 반응의 속도를 빠르게 하기 위해 첨가되는 것으로서, 친환경 주석을 포함하지 않는 타입(Tin Free 타입)을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 비스무스(V) 또는 비스무스 카복실레이트 촉매를 들 수 있다. 상기 반응 촉매는 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 기준으로, 1 내지 2중량%의 범위로 첨가할 수 있다.

한편, 상기 산화방지제는 자외선에 의한 폴리우레탄 수지의 황변을 지연하고, 궁극적으로 잉크의 색상 변색을 방지 내지 지연시키기 위해 첨가된다. 상기 산화방지제는 폴리우레탄 수지에 통상적으로 첨가되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 이에 한정하는 것은 아니지만, 트리-(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트(tri-(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphite)를 들 수 있다. 상기 산화방지제는 상기 폴리우레탄 제조에 사용되는 각 성분의 총 중량 100% 기준으로, 1 내지 2 중량%의 범위로 첨가할 수 있다.

상기 폴리우레탄의 합성에 있어서는 용매를 포함한다. 상기 용매는 알코올류를 사용할 수 있으며, 독성을 갖지 않는 에탄올을 사용하는 것이 인체 및 환경에 대한 부담을 주지 않아 바람직하다. 상기 용매는 잔부의 함량, 예를 들어, 폴리우레탄 합성을 위한 각 성분의 총 중량 100%에 대하여 60 내지 70 중량% 범위로 용매를 포함한다.

상기 폴리우레탄의 합성은 통상적인 조건 하에서 수행할 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 80 내지 90℃ 범위의 온도에서 12 내지 24시간 수행할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 폴리우레탄은 말단에 -NH₂기를 갖는 것으로서, 점도가 200 내지 500cps(25℃)이고, 중량평균분자량이 80,000 내지 150,000의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 폴리우레탄의 점도가 200cps 미만이면 잉크 조성물의 점도가 낮아, 일명, 오요기 현상이라 불리는, 잉크의 미세한 농담 차이에 의한 얼룩이 생기는 문제가 발생할 수 있고, 500cps를 초과하면 잉크 조성물의 점도가 높아서 도포량, 작업속도, 건조속도 등의 점에서 불리하다. 한편, 폴리우레탄의 중량평균분자량이 80,000 내지 150,000 범위를 갖는 것이 인쇄 공정 중에 트러블이 발생하지 않는 최적의 잉크 조성물의 점도 조건을 제공하는데 바람직하다.

이와 같은 폴리우레탄 수지는 잉크 조성물의 중량을 기준으로 15 내지 30중량%의 함량으로 포함한다. 상기 폴리우레탄의 함량이 15 중량% 미만으로 포함하면, 인쇄성이 우수해지고 하이라이트 전이성 개선 및 블로킹 현상이 발생하지 않으나, 후가공 접착성이 떨어질 수 있다. 한편, 폴리우레탄 함량이 30중량%를 초과하는 경우에는 후가공 접착성이 우수해지며 점도가 높아 희석율이 높아지지만, 잉크 조성물의 점도 증가로 인해 잉크 유동성, 인쇄 적합성이 저하하며, 원재료비가 상승하는 문제점이 있다.

본 발명의 잉크 조성물은 비닐 수지를 포함한다. 상기 비닐 수지는 잉크와 피인쇄체간의 밀착성 및 플렉소 인쇄의 품질을 향상시키는 역할을 제공한다. 상기 비닐 수지로는 알코올류에 잘 녹는 성질을 가지며, 에탄올과의 적합성 및 용해성이 우수한 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 폴리비닐부티랄 및 염화비닐-초산비닐 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종을 사용하는 것이 바람직하고, 폴리비닐부티랄(PVB)(Cas No. 63148-65-2)이 가장 적합하다.

상기 비닐 수지는 본 발명의 잉크 조성물의 용액 100중량%에 대하여 4 내지 12중량% 포함되는 것이 바람직하다. 상기 비닐 수지의 함량이 4 중량% 미만으로 첨가되면 점도가 낮아 잉크의 유동성은 우수하나, 분산성이 떨어져 잉크의 발색도에 문제점이 있으며, 12 중량%를 초과하면 안료 분산성은 향상되지만 잉크의 점도가 높아지고 기재 필름과의 접착성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물의 첨가제로서 잉크의 흐름, 표면 장력, 내스크래치성, 정전기 방지, 슬러리 점조도 및 광택 특성을 보조하기 위하여 블로킹 방지제, 분산제, 소포제, 산화방지제, 접착보강제, 피막보강제, 정전기 방지제 등을 포함하는 첨가제가 포함될 수 있다.

상기 첨가제는 조성물의 전체 중량을 기준으로 3.9 ~ 10.1 중량%로 포함될 수 있다.

구체적인 실시형태에 있어서, 상기 첨가제는 블록킹 방지제 0.1 ~ 1 중량%, 분산제 1 ~ 3 중량%, 산화방지제 0.1 ~ 2 중량%, 접착 보강제 1 내지 5중량%, 피막 보강제 0.1 내지 1중량% 및 정전기 방지제 0.1 내지 1중량%를 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.

블로킹 방지제는 서로 달라붙어 작업상 지장을 주는 블로킹을 방지하기 위한 성분으로써 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 적용할 수 있다. 예를 들면, 이들에 한정되지 않으나, 왁스, 탄산칼슘 CaCO₃, 탈크(Talc), 실리카(SiO₂), 알루미늄실리케이트, 및 실리콘 비드 등을 들 수 있다. 이들 블로킹 방지제는 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.

상기 분산제는 폴리디메틸실록산과 폴리카르복실산의 부분적으로 중화된 알킬암모늄염용액 또는 다기능성 폴리머의 알킬올 암모늄염용액으로 된 것을 일반적으로 사용한다.

상기 산화방지제는 자외선에 의한 폴리우레탄 수지의 황변을 지연하고, 궁극적으로 잉크의 색상 변색을 방지 내지 지연시키기 위해 첨가된다. 상기 산화방지제는 폴리우레탄 수지에 통상적으로 첨가되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 이에 한정하는 것은 아니지만, 트리-(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트(tri-(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphite)를 들 수 있다.

상기 접착보강제는 필름 소재에 따라 잉크의 접착성을 향상시키기 위한 것으로서, 우레아 알데히드 수지(예, CAS NO: 9011-05-6) 또는 로진변성 말레인 수지(예, CAS No. 94581-15-5)가 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 피막보강제는 잉크 피막에 활성을 부여하여, 피막의 긁힘 현상을 방지 하기 위한 것으로서, 폴리에틸렌 왁스가 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 정전기 방지제는 잉크의 전기저항을 낮게 하여 인쇄 중의 정전기 장해를 보조적으로 방지하는 역할을 수행하고, 코코알킬에틸디메틸, Et 설파테이트 - 4차 암모늄 화합물을 사용할 수 있다.

상기 첨가제는 추가로 미량의 소포제와 계면활성제, 내열보강제 및 전이성 보강제를 함유해도 좋다.

소포제는 계면활성제와 산가에 의하여 많이 발생하는 기포현상을 제거하고, 계면활성제는 잉크 중 안료를 습윤 분산시키는 작용을 하며 기포 발생과 표면장력을 다운시킨다.

상기 첨가제의 함량이 상기 설정한 범위를 벗어나는 경우 블로킹 방지 특성, 분산성, 산화방지력, 정전기 방지, 내스크래치성 및 슬립 억제성이 충분하지 못하고, 접착 성능 및 기계적 물성이 떨어질 수 있다.

본 발명은 폴리우레탄의 제조시 방향족 디이소시아네이트와 지방족 디이소시아네이트를 1:0.9~1.1의 중량비로 사용하여 폴리우레탄 수지를 제조하고, 수성 잉크 제조를 위한 반응물로써 안료 18 내지 40중량%, 폴리우레탄 수지 15 ~ 30 중량%, 비닐 수지 4 ~ 12 중량%, 물 25 ~ 50 중량%, 및 첨가제 4.0 ~ 11.0 중량%의 배합비를 사용함으로써 별도의 경화제 없이도 비교적 우수한 물성을 얻을 수 있고, 수분산시 물 분자와의 급격한 반응성으로 인한 응집 또는 겔화로 인한 입자 안정성을 양호하게 할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하고자 하는 것으로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다.

실시예 1 내지 5 및 비교예 1: 수성 플렉소 잉크의 제조

다음의 표 1에 나타낸 바의 안료, 폴리우레탄 수지, 물 및 첨가제 등을 혼합하여 수성 플렉소 잉크를 제조하였다(기준 중량비). 폴리우레탄 수지는 중량평균분자량이 1,000 이상 4,000인 폴리에스테르 폴리올 1 내지 10중량%, 폴리에테르 폴리올 1 내지 10중량%, 폴리카보네이트 폴리올 1 내지 10중량% 및 폴리카프로락탐 폴리올 1 내지 10중량%와 방향족 이소시아네이트와 지방족 이소시아네이트를 1:1의 중량비로 사용하여 공지의 프리폴리머 분산법[참고문헌: Bayer AG, Ger. Offen., 1,495,745 (1963); U. S. Patent, 3,479,310 (1969).]에 의하여 제조된 것(중량평균 분자량 150,000; 제조원, 청우화학(주))을 사용하였다.

성분/함량	실시예 1	실시예2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1
안료	28	30	19	18	40	15
폴리우레탄 수지 (중량평균분자량: 150,000)	15	30	30	21	20	20
비닐수지(PVB)	12	6	10	4	5	3
용매(물)	41.1	26	30.9	50.5	27	56
블로킹 방지제	0.5	0.4	1	0.1	1	1
분산제	1	1.5	3	2	2	1
산화방지제	0.4	2	0.1	1.4	1	1
접착보강제	1	3	5	2	2	1
피막보강제	0.3	1	0.1	0.5	1	1
정전기방지제	0.7	0.1	0.9	0.5	1	1
합계	100	100	100	100	100	100

시험예 1: 수성 플렉소 잉크 인쇄물 백색도 측정 결과

상기 실시예 1 내지 5에 따른 수성 플렉소 잉크를 사용하여 필름에 인쇄 후 백색도를 비교예 1의 것과 비교평가하였다. 인쇄 필름은 OPP, PET FILM 2종 사용하고, Surface Tension은 OPP 38dyne/cm, PET 52 dyne/cm이다. 인쇄 조건은 표 2에 나타내었다.

구 분		정보사항
인쇄 (Flexographic)	재질구성	인쇄필름(OPP, PET)
	작업 Speed(m/min)	180
	건조온도(℃)	건조 1차(BCD) : 65, 건조 2차(Dry tunnel) : 85
	장비명	윈드밀러 플렉소 인쇄기(MIRAFLEX M10)

백색도는 색차계 L값(Lightness)으로 측정(색차계 : x-rite eXact)하고, 측정 결과를 다음의 표 3에 나타내었다.

구 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예1
백색도	OPP	95.0	95.0	95.0	95.2	95.0	94.0
	PET	94.5	94.6	94.3	95.1	94.7	93.3

상기 표 3의 결과로부터 확인되는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 잉크로 인쇄한 제품은 비교예의 것에 비하여 백색도가 높게 나타낸 것을 알 수 있다.

시험예 2: 수성 플렉소 인쇄물 내스크래치성 평가 결과

마찬가지로, 본 발명의 실시예에 따른 수성 플렉소 잉크를 필름에 인쇄 후 내스크래치성을 비교예 1의 것과 비교 평가하고 그 결과를 표 4에 나타내었다. 내스크래치성 평가 방법은 전동식 연필경도시험기 H로 측정하고(경도기 : 큐메시스 QM450A), 내스크래치성 평가 기준은 [1] 양호 ~ [5] 불량으로 구분하였다.

구 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예1
내스크래치성	OPP 잉크	[2]	[2]	[2]	[2]	[2]	[4]
	PET 잉크	[2]	[2]	[2]	[2]	[2]	[4]

상기 표 5의 결과로부터 확인되는 바와 같이 본 발명의 잉크로 인쇄한 제품이 비교예의 것에 비하여 내스크래치성이 우수한 것을 알 수 있다.

시험예 3: 수성 플렉소 잉크 접착강도 측정 결과

본 발명의 실시예에 따른 수성 플렉소 잉크가 인쇄된 필름과 식품포장재 라미네이션에 사용되는 접착제와의 접착강도를 비교용 잉크가 인쇄된 필름과 비교 평가하였다. 수성 플렉소 잉크 적용 무용제 접착제 합지(NSDL) 가공 정보사항은 표 5에 나타내었다. 인쇄필름은 OPP, PET 필름의 2종을 사용하고, Surface Tension은 OPP 38dyne/cm, PET 52 dyne/cm, VM-CPP 38dyne/cm이다.

구 분		정보사항
NSDL(Non-solvent Dry Lamination)	재질구성	인쇄필름/수성잉크/접착제/VM-CPP
	작업 Speed(m/min)	300
	접착제 grade	Toyo morton EA-N6000/EA-N5500
	접착제 도포량	2.2 g/㎡
	장비명	신한기계 논솔벤트기(S.H-NSD1400)

잉크 접착 강도 시험 결과를 다음의 표 6에 나타내었다.

구 분			실시예 1	실시예2	실시예 3	실시예4	실시예5	비교예1
접착강도 (gf/15㎜)	인쇄필름/ 수성잉크	OPP	>112	>113	>113	>113	>113	>91
		PET	>115	>117	>118	>115	>118	>93
	수성잉크/ 접착제	OPP	112	113	113	113	113	91
		PET	115	117	118	115	118	93

상기 표 6의 결과로부터 확인되는 바와 같이 본 발명의 수성 플렉소 잉크가 비교예의 것에 비하여 접착강도가 우수한 것을 알 수 있다.

시험예 4: 수성 플렉소 잉크 적용 제품 Seal 강도 측정 결과

본 발명의 수성 플렉소 잉크를 적용하여 식품 포장재를 구성한후 실런트(Sealant) 필름인 VM-CPP를 열접착하여 수성 플렉소 잉크가 Seal 강도에 미치는 영향을 비교 평가하였다. 제품 구성은 ① OPP: OPP25/수성잉크/접착제/VM-CPP20 ② PET: PET12/수성잉크/접착제/VM-CPP20으로 하고, 실링 조건은 온도 130℃, 압력 3kgf/㎠, 시간 0.5sec에서 수행하였다. 시험 결과를 다음의 표 7에 나타내었다.

구 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예5	비교예1
Seal 강도 (gf/15㎜)	① OPP 구성	911	910	912	915	912	776
	② PET 구성	943	942	946	946	944	812

상기 표 7의 결과로부터 확인되는 바와 같이 본 발명의 포장재가 비교예의 것에 비하여 현저히 높은 높은 실링(Sealing) 강도를 나타낸 것을 알 수 있다.

시험예 5: 수성 플렉소 잉크 접착강도 측정 결과

본 발명의 수성 플렉소 잉크가 인쇄필름과 식품포장재 라미네이션에 사용되는 LDPE와의 접착강도를 비교예 1의 것과 비교 평가하였다. 수성 플렉소 잉크 적용 압출 코팅 및 합지(EC) 가공 정보사항은 표 8에 정리하였다. 종전과 마찬가지로 인쇄필름은 OPP, PET 필름의 2종을 사용하였고, Surface Tension은 OPP 38dyne/cm, PET 52 dyne/cm, VM-CPP 38dyne/cm이다.

구 분		정보사항
EC(Extruder Coating & Lamination)	재질구성	인쇄필름/수성잉크/LDPE/VM-CPP
	작업 Speed(m/min)	120
	Dies 온도 (℃)	320
	LDPE grade	LG화학 LB7500F
	LDPE 두께	15 ㎛
	장비명	신한기계 공압출 탠덤기(S.H-TEL1400-CO)

시험 결과는 다음의 표 9에 나타내었다.

구 분			실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예5	비교예1
접착강도 (gf/15㎜)	인쇄필름/ 수성잉크	OPP	76	78	78	81	80	22
		PET	90	91	92	88	91	31
	수성잉크/ LDPE	OPP	55	53	52	53	51	30
		PET	66	63	65	63	62	45

상기 표 9의 결과로부터 확인되는 바와 같이 본 발명의 수성 플렉소 잉크가 비교예의 것에 비하여 접착강도가 우수한 것을 알 수 있다.

시험예 6: 수성 플렉소 잉크 적용 제품 Seal 강도 측정 결과

본 발명의 수성 플렉소 잉크를 적용하여 식품포장재를 구성한후 실런트(Sealant) 필름인 VM-CPP를 열접착하여 수성 플렉소 잉크가 Seal 강도에 미치는 영향을 비교 평가하였다. 제품 구성은 ① OPP: OPP25/수성잉크/LDPE15 / VM-CPP20, ② PET: PET12/수성잉크/LDPE15/VM-CPP20로 하였다. Seal 조건은 온도 135℃, 압력 3kgf/㎠, 시간 0.5sec이었다. 그 결과를 다음의 표 10에 나타내었다.

구 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예5	비교예1
Seal 강도 (gf/15㎜)	① OPP 구성	845	836	850	847	846	746
	② PET 구성	880	885	878	886	890	762

상기 표 10의 결과로부터 확인되는 바와 같이 본 발명의 포장재가 비교예의 것에 비하여 월등히 높은 높은 실링(Sealing) 강도를 나타낸 것을 알 수 있다.

이와같이 본 발명의 수성 플렉소 잉크는 백색도가 향상되어 인쇄 디자인의 발색도가 우수하고 인쇄 컬러를 선명하게 구현할 수 있다. 또한 본 발명의 수성 플렉소 잉크는 내스크래치성이 우수하여 인쇄, 가공 작업시 기계적 안정성을 확보할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 수성 플렉소 잉크는 인쇄필름과의 잉크접착 및 접착제 또는 LDPE와의 층간접착이 우수하여 식품포장재의 Seal 강도가 향상되고 그에 따른 Sealant 필름 두께의 Down gauge가 가능하기 때문에 플라스틱 감량 효과에 도움이 되는 친환경 잉크이다.

뿐만 아니라 본 발명의 수성 플렉소 인쇄는 현재 일반화 되어있는 그리비아 인쇄방식에서 사용 중인 유기 용제를 사용하지 않음으로써 대기환경 오염을 개선할 수 있는 절대적으로 필요한 인쇄방식이다.

이와 같이 본 발명은 도면 및 명세서를 통하여 발명의 바람직한 실시형태를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형 및 균등한 실시가 가능함은 자명하다.

Claims (6)

1. 안료 18 내지 40중량%, 폴리우레탄 수지 15 ~ 30 중량%, 비닐 수지 4 ~ 12 중량%, 희석 용제로서 물 26 ~ 50.5 중량% 및 첨가제 3.90 ~ 10.1 중량%를 함유하고,
   상기 폴리우레탄 수지는 다음의 화학식 (1)로 표시되고, 200 내지 500cps(25℃)의 점도 및 80,000 내지 150,000의 중량평균 분자량을 가지며, 반응물로, 폴리에스테르 폴리올 1 내지 10 중량%, 폴리에테르 폴리올 1 내지 10 중량%, 폴리카보네이트 폴리올 1 내지 10 중량% 및 폴리카프로락탐 폴리올 1 내지 10 중량%, 이소시아네이트 10 내지 20 중량% 및 아민화합물 2 내지 5 중량% 및 잔부의 용매의 반응 생성물로서, 말단에 -NH₂기를 포함하고,
   상기 이소시아네이트는 헥사메틸렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트 및 4,4'-메틸렌디시클로헥실디이소시아네이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 지방족 디이소시아네이트, 또는 메틸렌디페닐디이소시아네이트, 2,4-톨루엔디이소시아네이트 및 2,6-톨루엔디이소시아네이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 방향족 디이소시아네이트이고,
   상기 아민 화합물은 메틸아민, 트리메틸아민, 에틸아민, 아닐린, 디에틸아민 및 벤질아민으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종이고,
   상기 비닐 수지는 폴리비닐부티랄 및 염화비닐-초산비닐 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종이며,
   상기 방향족 디이소시아네이트와 지방족 디이소시아네이트는 1:0.9 ~ 1.1의 중량비로 포함되고,
   상기 첨가제는 블록킹 방지제 0.1 ~ 1 중량%, 분산제 1 ~ 3 중량%, 산화방지제 0.1 ~ 2 중량%, 접착 보강제 1 내지 5중량%, 피막 보강제 0.1 내지 1중량% 및 정전기 방지제 0.1 내지 1중량%를 포함하며,
   상기 접착보강제는 우레아 알데히드 수지 또는 로진변성 말레인 수지인 것을 특징으로 하는 수성 플렉소 인쇄용 잉크 조성물.
   

   

   
   (상기 식 (1)에서, R은 폴리올이고, R'은 이소시아네이트이고, R"은 아민이고, n은 8 내지 40의 정수이다.)
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