KR102659000B1 - 무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법 - Google Patents

무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법에 관한 것으로, 특정 직경 범위의 실리카(SiO2) 입자를 포함하는 콜로이달 실리카를 유효성분으로 포함하여 본 조성물이 코팅된 종이가 우수한 단열성 및 내수성을 발휘하도록 할 수 있다.

Description

무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법{Inorganic material-based composition for paper coating with excellent insulation and water resistance and paper coating method using the same}
본 발명은 무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법에 관한 것이다.
종이 재질의 포장용기 또는 포장지는 기본적으로 포장된 물품이 손상되지 않도록 하거나 외관을 미려하게 하는 기능을 가지는데, 산업이 발달함에 따라 상품의 내용물을 보호하기 위해 종이 재질로 이루어진 각종 포장용기 또는 포장지의 사용이 급격히 증가하는 추세에 있다.
종이 재질 포장용기의 일 예로 들 수 있는 골판지는 중앙부에 요철형으로 절곡 형성된 골심지의 일측면 또는 양측면에 원판지를 접착시켜 형성한 것으로, 종래의 골판지는 요철 형상으로 반복 절곡된 골심지와 표면지의 접착력만으로 강도를 유지시키고 변형을 방지해야 했으며, 이에, 이중 양면 골판지를 주로 사용하여 왔다.
상기 종이 재질로 구성된 골판지는 비닐 하우스를 이용한 농작물이나 바닷가의 수산물 포장을 위해 주로 이용되고 있으며, 이를 보관하는 도중에 골판지는 부분은 외부에 그대로 노출된 상태를 유지하고 있게 되므로, 쉽게 골이 무너지게 되어서 강도를 유지할 수 없는 단점이 존재한다.
더 나아가, 원지를 그대로 사용하기 때문에 파손의 우려가 크며, 포장한 골판지 박스가 무너져 상하는 등 큰 손실이 반복되는 문제가 존재하였다.
이와 같이, 골판지 등 종이 재질로 된 포장용기는 습기와 수분을 접하게 되면 강도가 약해지거나 쉽게 찢어지고 흐물흐물해지기 때문에, 운반과정과 적재과정에서 각별히 주의를 요하게 되는 불편함이 존재하였고, 무엇보다 물품을 포장하여 운반하는 과정에서 포장 파손과 물품 파손을 종종 야기하여 번거로운 일을 발생시키곤 하였다.
통상적으로, 골판지 등 포장용기의 재질을 이루는 "종이"는 강도, 경직성, 잉크 흡수성 등의 기능성과 백색도, 휘도 등의 심미성을 향상시키기 위해 코팅되며, 종이 코팅에 사용되는 전형적인 성분으로는 범용수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 우레탄과 같은 다양한 합성수지, 무기 충전재, 분산제, 바인더, 염료, 형광 증백제, 점도 개선용 유동성 개질제 등이 포함된다.
이 중, 특히 폴리에틸렌이 포장용지의 코팅에 많이 사용되며, 일반적으로 폴리에틸렌은 가볍고 녹슬지 않으며 썩지 않을 뿐만 아니라 화학적 안전성, 내수성, 유연성, 절연성, 성형성 등의 장점을 가지고 있어서 일상 생활용품에 많이 사용되어 왔다.
하지만, 폴리에틸렌이 코팅된 종이 재질의 포장지는 내유성과 내수성을 동시에 나타내기에는 한계가 있을 뿐만 아니라, 사용 및 폐기과정에서 환경 호르몬이 방출될 수 있고, 물에 해리되지 않아 재활용을 위해 별도의 선별 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 또한, 소각 시 발생하는 매연은 대기오염 및 발암물질을 유발하고 매립을 하여도 자연 분해가 되기까지 수백 년이 걸리기 문제점이 있다.
이에, 습기와 물에 취약하고 강도가 약한 단점으로 인해 야기되는 기존 포장용 종이 제품들의 사용상의 불편을 해결하고, 포장용 종이 제품의 단열성 및 내수성을 향상시킬 수 있으며, 생분해성 또한 향상시킬 수 있는 종이 코팅용 조성물의 개발이 필요하다.
KR 10-2155614 B1
본 발명의 목적은 무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특정 직경 범위의 실리카(SiO2) 입자를 포함하는 콜로이달 실리카를 유효성분으로 포함하여, 우수한 단열성 및 내수성을 발휘하도록 하는 종이 코팅용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 단열성 및 내수성을 나타낼 수 있는 상기 코팅용 조성물을 이용한 종이 코팅 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물은 콜로이달 실리카, 수용성 수지 및 생분해성 고분자를 유효성분으로 포함하는 것이다.
상기 콜로이달 실리카는 직경 5 내지 20 nm의 실리카(SiO2) 입자를 포함하는 것이다.
상기 조성물의 점도는 40 내지 200cps 인 것이다.
상기 수용성 수지는 아크릴 에멀젼, 메틸롤화요소 에멀젼, 메틸롤화멜라닌 에멀젼, 카르복시메틸셀룰로오스 에멀젼, 에틸렌비닐아세테이트 에멀젼, 우레탄 에멀젼, 폴리염화비닐리덴 에멀젼, 라텍스 에멀젼, 스티렌 에멀젼 및 폴리비닐아세테이트 용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 중합체인 것이다.
상기 생분해성 고분자는 카제인 나트륨(sodium caseinate), 폴리락틱산(polylatic acid) 및 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 화합물인 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단열성 및 내수성이 우수한 종이는 상기 조성물이 코팅된 것이다.
단 발명의 다른 일 실시예에 따른 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅 방법은 1) 종이의 일면에 종이 코팅용 조성물을 1차 도포하는 단계; 2) 상기 조성물이 도포된 종이를 40 내지 60℃의 온도 조건에서 10 내지 20분 간 1차 건조한 후, 20 내지 25℃의 온도 조건에서 30 내지 40분 간 유지하여 제1 코팅층을 형성하는 단계; 3) 상기 1차 코팅층의 상면에 종이 코팅용 조성물을 2차 도포하는 단계; 및 4) 상기 2차 도포단계를 거친 종이를 70 내지 90℃의 온도 조건에서 5 내지 10분 간 2차 건조하여 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.
본 발명은 무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법에 관한 것으로, 특정 직경 범위의 실리카(SiO2) 입자를 포함하는 콜로이달 실리카를 유효성분으로 포함하여 본 조성물이 코팅된 종이가 우수한 단열성 및 내수성을 발휘하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종이 코팅 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종이 코팅 방법에 대한 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어 중, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
최근 정부의 환경규제 정책의 변화에 따라 포장 관련 유통업계는 친환경 소재의 사용에 대한 관심이 급격히 높아지고 있으며, 이에, 환경오염을 야기하는 플라스틱 포장용기의 비중을 줄이고, 재활용이 쉬운 용기를 제작하는 등 지류 포장지에 대한 수요가 증가하고 있다.
그 중, 골판지 상자는 국내 유통되고 있는 포장재들 중 시장 점유율이 약 30 내자 35%에 달하고 있을 만큼 친환경 소재로서 각광을 받고 있다. 골판지 상자는 품목마다 적정 온, 습도 조건에서 제품을 보호하며, 특히 농수산물 포장의 경우 내용물에 대한 품질 손상이 최소화되도록 특정 환경 조건에서 관리되고 있으나, 국내의 경우 일반적으로 저온 유통시스템을 통한 상품 운송이 이루어져 유통 및 운송과정에서 고온 다습한 환경에 쉽게 노출될 수 있는 단점도 존재한다.
특히, 냉동유통용 컨테이너로 운송되는 환경 조건에서는 노출된 이동경로의 온도 및 습도 차이가 크며, 그에 따라 포장재 내부에 결로현상이 발생할 수 있다.
결로현상은 수증기를 함유하고 있는 공기가 이슬점 이하로 냉각되었을 때 대기 속의 수증기가 액화되어 이슬로 맺히는 현상으로서, 이로 인한 수분발생은 포장상자와 제품에 피해를 야기하며, 특히, 온도와 습도가 높은 여름철에는 저온 유통 중 출하되는 포장재의 피해 가능성이 더욱 높아지게 마련이다.
이에, 농수산물 보호 목적으로 골판지 상자를 사용하는 각국에서는 환경규제 조건 내에서 소수성 고분자 표면 처리를 통해 이러한 단점을 보완하고 있으며, 국내 시장의 경우, 골판지 상자의 흡습을 방지하기 위해, ASA 및 AKD를 이용하여 내수성을 부여하고 저온 유통용 골판지의 강도 저하 현상을 최소화하거나 발수제 처리를 통해 수분 저항성을 향상시켜왔으나, 충분한 단열성 및 내수성을 발휘하는데는 한계가 있는 실정이다.
이에, 본 출원인은 콜로이달 실리카를 유효성분으로 포함하여, 단열성 및 내수성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생분해성 고분자를 추가로 포함하여 사용 후 폐기 시, 효과적인 생분해를 유도함을 통해 환경 오염을 최소화할 수 있는 종이 코팅용 조성물을 개발하였다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물은 콜로이달 실리카, 수용성 수지 및 생분해성 고분자를 유효성분으로 포함하는 것이다.
콜로이달 실리카(Colloidal Silica) 또는 실리카졸(silica sol)은 수용액이나 유기용액 상에 구형의 비결정질, 비다공성을 가진 콜로이드 입자 사이즈의 실리카 입자들이 분산되어 있는 것으로, 수분산된 콜로이달실리카의 표면은 siloxan(≡Si-O-Si≡)결합과 silanol(≡Si-OH)그룹으로 이루어져 있어 친수성에 강하며, 다수의 수소 결합을 갖는 특성이 있다. 한편, 결합성, 내열성, 조막성 및 흡착성 등의 특징을 나타내는 점에서 이를 이용하여 여러 분야에 널리 적용되고 있다.
상기 콜로이달 실리카를 유효성분으로 포함할 경우, 콜로이달 성상을 갖는 나노 입경의 실리카 입자가 수용성 수지 및 생분해성 고분자와 고르게 혼합됨으로써, 조성물이 도포된 코팅층을 보다 치밀하게 형성할 수 있으며, 이를 통해 본 발명이 목적하는 단열성 및 내수성을 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 상기 콜로이달 실리카에 의하는 경우, 형성되는 코팅층이 매우 얇게 만들어지면서도 종이 표면에 강력하게 부착될 수 있어, 기계적 마모 등에 의해서도 잘 벗겨지지 않는 장점을 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명의 코팅 조성물은 소수화제를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 콜로이달 실리카는 졸(sol) 형태로, 이를 코팅 조성물로 이용하기 위해서는, 졸-젤 반응을 통해 젤(gel) 형태로 변환하여 적용하는 것이 코팅 조성물의 작업성 및 부착성을 향상시키는데 바람직하다. 이에, 종래에는 졸-젤 반응 후 생성된 친수성 젤을 소수화 용액에 수일간 담가 화학적 처리를 하여 수득한 소수화 젤은 이용하였는 바, 공정 상 번거로움이 존재하였다.
이에, 본 발명에서는 상기 소수화제를 추가로 포함하여, 기존의 졸-젤 공정과 소수화 공정을 하나의 공정으로 개선하여 졸-젤 공정 시 소수화 반응을 동시에 유도할 수 있는 것이다.
즉, 상기 콜로이달 실리카에 소수화제를 첨가하여 소수화 젤을 얻은 후, 이를 초임계 건조하여 콜로이달 실리카를 실리카 에어로젤로 제조하여 이용함을 통해 코팅 조성물의 작업성 및 부착성을 향상시킬 수 있는 것이다.
구체적으로, 상기 소수화제는 염기성 소수화제로, HMDZ(Hexamethyl disilazane) 및 Lithium bis(trimethylsilyl)amide으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 상기 콜로이달 실리카 100 중량부에 대하여, 5 내지 10 중량부로 혼합될 수 있다.
상기 콜로이달 실리카는 직경 5 내지 20 nm의 실리카(SiO2) 입자를 포함하는 것이다.
구체적으로, 상기 콜로이달 실리카에 포함되는 실리카 입자가 상기 직경 범위 내일 경우, 종이 표면에 코팅층을 보다 치밀하게 형성할 수 있으며, 종이의 단열성 및 내수성을 보다 극대화시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 직경 범위는 5 내지 15 nm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 5 내지 10 nm일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 상기 조성물은 수용성 수지 100 중량부에 대하여, 콜로이달 실리카 20 내지 40 중량부 및 생분해성 고분자 20 내지 40 중량부를 포함할 수 있다. 상기 중량 범위에 의하는 경우, 각 유효성분의 혼합에 따른 상승 효과로 단열성 및 내수성을 향상시킬 수 있으며, 생분해성 또한 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 종이 코팅용 조성물은 분산제 및 슬립제 등의 유효성분을 추가로 포함할 수 있다.
상기 분산제는 코팅 조성물의 저장안정성을 향상시키기 위하여 첨가되는 것으로서, 특히 아크릴 에멀젼, 에틸렌비닐아세테이트 에멀젼, 우레탄 에멀젼 등의 사용시 이들 에멀젼의 극성차를 완충함으로써 코팅제의 물성이 안정적으로 유지될 수 있도록 한다.
상기 분산제는 소듐 디옥틸 설포석시네이트(sodium dioctyl sulfosuccinate), 다이에스테르 설포석시네이트(diester sulfosuccinate), 알킬아민 구아니딘 에톡시레이트(alkylamine-guanidine ethoxylate), 모노에스테르설포석시네이트(mono-ester sulfosuccinate), 설포석시나메이트(sulfosuccinamate), 노닐 페놀 에테르 설페이트(nonyl phenol ether sulfate), 도데실 디페닐 옥사이드 설포네이트(dodecyl diphenyl oxide sulfonate), 알킬 나프탈렌 설포네이트(alkyl naphthalene sulfonate)와, 폴리옥시에틸렌 노닐 페닐 에테르(polyoxyethylene nonylphenyl ether), 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐 에테르(polyoxyethylene octylphenyl ether), 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르(polyoxyethylene lauryl ether), 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르(polyoxyethylene oleyl ether), 폴리옥시에틸렌 세틸 에테르(polyoxyethylene cetyl ether), 폴리옥시에틸렌 스테아릴 에테르(polyoxyethylene stearyl ether), 폴리옥시에틸렌 옥틸 에테르(polyoxyethylene octyl ether), 폴리옥시에틸렌 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether), 폴리옥시에틸렌 코코넛 패티 에스테르(polyoxyethylene coconut patty ester), 폴리옥시에틸렌 라우릴 아민(polyoxyethylene lauryl amine), 폴리옥시에틸렌 스테아릴 아민(polyoxyethylene stearyl amine), 폴리옥시에틸렌 올레일 아민(polyoxyethylene oleyl amine), 폴리옥시에틸렌 탈로우 아민(polyoxyethylene tallow amine), 폴리옥시에틸렌 캐스톨 에테르(polyoxyethylene castor ether), 스티레네이티드 페놀 폴리알킬렌 옥사이드(styrenated phenol polyalkylene oxide), 폴리옥시에틸렌 폴리옥시프로필렌 유도체(polyoxyethylene polyoxypropylene derivatives), 소르비탄 지방산 에스테르(sorbitan fatty acid ester) 및 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르(polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester) 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상인 것이 바람직하다.
한편, 상기 슬립제는 코팅 작업시, 종이용지의 원활한 이형특성을 위하여 첨가되는 것으로서, 표면의 높은 마찰계수로 인해 발생하는 제반 문제점을 제거하는 역할을 하는데, 마찰계수를 저하시켜 윤활성의 강화 및 표면강도의 향상을 통해 후공정인 인쇄작업시 발생할 수 있는 포장용지의 층간 접착 및 점착 현상을 막아주는 효과가 있다.
상기 슬립제는 카나우바왁스 에멀젼, 오조케라이트 에멀젼, 파라핀왁스 에멀젼, 폴리에틸렌왁스 에멀젼, 산화왁스 에멀젼, 불소 에멀젼, 실리콘 에멀젼, 지방족알코올, 스테아르산 모노머(stearic acid monomer), 스테아르산 다이머(stearic acid dimer), 글리세롤 모노스테아르산염(glycerol monostearate), 스테아라마이드(stearamide), 2가 스테아르산염(divalent stearate), 알칼리금속 스테아르산염(alkali metal stearate), 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 비이온 계면활성제 및 폴리에틸렌글리콜 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상인 것이 바람직하다.
다만, 본 발명 조성물에 추가로 포함될 수 있는 유효성분은 상기 분산제 및 슬립제에 한하지 않으며, 당해 분야의 통상의 기술자가 종이 코팅용 조성물의 일 구성으로 적용할 수 있는 유효성분인 한 특별히 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는 본 발명 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 더 포함할 수 있다:
[화학식 1]
[화학식 2]
여기서,
m은 1 내지 20의 정수이며,
n은 1 내지 10의 정수이다.
본 발명 조성물의 유효성분으로, 상기 첨가제가 추가로 포함되는 경우, 콜로이달 실리카의 분산성을 향상시킴으로써, 코팅층을 보다 치밀하게 형성할 수 있는 장점이 있으며, 이를 통해 본 발명이 목적하는 단열성 및 내수성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
보다 바람직하게는, 상기 첨가제는 수용성 수지 100 중량부에 대하여, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 5 내지 10 중량부 및 화학식 2로 표시되는 화합물 5 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 중량 범위에 의하는 경우, 각 유효성분의 혼합에 따른 상승 효과로 코팅층을 보다 더욱 치밀하게 형성하여 단열성 및 내수성을 보다 극대화시킬 수 있으며, 생분해성 또한 극대화할 수 있다. 다만, 상기 중량 범위 미만 또는 상기 중량범위를 초과할 경우 그 효과가 미미할 수 있다.
한편, 상기 조성물의 점도는 40 내지 200cps 인 것이다.
본 발명 조성물의 점도가 상기 범위에 의할 경우, 본 발명 코팅 조성물을 종이에 코팅하는데 따른 작업 속도를 최적화할 수 있는 장점이 있다. 상기 범위 미만일 경우, 점도가 너무 낮아 코팅 조성물의 부착력이 떨어질 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우, 점도가 너무 높아서 코팅 작업 시 덩어리지는 현상에 의해 코팅이 불량하고 신속하게 건조되지 않아, 코팅제끼리 붙는 블로킹 현상이 발생할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조성물의 점도는 80 내지 150cps 인 것이며, 보다 바람직하게는 100 내지 120cps 일 수 있다.
상기 수용성 수지는 아크릴 에멀젼, 메틸롤화요소 에멀젼, 메틸롤화멜라닌 에멀젼, 카르복시메틸셀룰로오스 에멀젼, 에틸렌비닐아세테이트 에멀젼, 우레탄 에멀젼, 폴리염화비닐리덴 에멀젼, 라텍스 에멀젼, 스티렌 에멀젼, 폴리비닐알코올 용액 및 폴리비닐아세테이트 용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 중합체인 것이다.
상기 수용성 수지로서 (메타)아크릴산과 알코올이 축합하여 이루어지는 (메타)아크릴산 에스테르 중합체가 바람직하고, (메타)아크릴산 에스테르의 알코올 유래 부분에 탄소수 10~15의 알킬기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르 80~90 중량%와 알코올 유래 부분에 히드록시기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르 10~20 중량%를 공중합시킨 (메타)아크릴산 에스테르 공중합체인 것이 더욱 바람직하다.
아크릴 수지는 기계적 강도가 크고 내열성, 내화학약품성, 내유성이 있으며, 상기 2 종의 (메타)아크릴산 에스테르가 공중합된 공중합체는 환경이나 인체에 무해하고 발수성을 가져서 이를 코팅한 포장지는 식품과 같이 수분이 함유된 물건을 포장하여도 내구성이 저하되지 않으며, 점성이 있어서 코팅제가 종이에 견고하게 부착되도록 한다.
한편, 상기 (메타)아크릴산 에스테르의 알코올 유래 탄소수가 10 미만이면 종이에 코팅시 발수성이 충분히 발휘되지 않고 탄소수가 15를 초과하면 종이의 유연성이 저하되는 단점이 있다.
상기 아크릴산 에스테르 공중합체는 유리전이온도(Tg, glass transition temperature) -20 내지 20 ℃, 고형분 함량 10 내지 30 중량%인 것이 바람직하며, 상기 유리전이온도는 본 발명의 코팅 조성물을 종이에 코팅하는 리바인딩 공정에서 브로킹을 방지하는 적정 범위이고, 상기 고형분 함량은 코팅 도막이 균일하게 형성될 수 있는 적정 범위이다.
한편, 종이 재질로 이루어진 골판지 상자의 경우, 저온 유통과정에서 결로 현상 등이 발생할 수 있는 바, 통상적으로 골판지 상자의 제조 과정에서 재료가 되는 종이의 표면에 추가 코팅 처리를 하여, 단열성 및 내수성 등을 발휘하도록 하고 있다. 구체적으로, 앞서 언급한 바와 같이 국내 시장의 경우 골판지 상자의 흡습을 방지하고자 ASA 및 AKD를 이용해 내수성을 부여하고, 저온 유통용 골판지의 강도 저하 현상을 최소화하고 있으며, 해외 시장의 경우에는 발수제 처리를 통해 수분 저항성을 향상시키고 있다.
구체적으로, 파라핀 왁스는 우수한 가공성 및 경제성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 유통 중 수분 침투성을 제어할 수 있어 코팅제의 일 구성으로 폴리에틸렌과의 혼합 처리를 통해 많은 양이 사용되고 있는 성분 중 하나이다.
그러나, 파라핀 왁스의 긴 포화탄화수소체 구조는 생분해율을 저해하는 주요 요인으로서 사용이 완료된 종이 골판지 상자의 폐기 시, 환경 오염을 야기하는 문제가 있다.
이에, 생분해성을 향상시키고자 바이오폴리머를 활용한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 대표적으로 식물성 오일을 활용한 친환경 왁스 개발 및 소수성 고분자를 개질한 생분해성 발수 에멀젼의 개발이 시도되고 있기는 하나, 현재까지 개발된 성분들은 종이 표면에 배리어(barrier)를 형성하여 기체 차단성을 향상시키고, 미생물에 의해 분해된다는 점에서 효과적일 뿐 포장용 골판지 상자의 실제 흡습 현상을 제어하는데 한계가 있는 실정이다.
이에, 본 출원인은 포장용 골판지 상자의 내수성, 단열성 및 친환경성을 모두 향상시키기 위해, 기존 파라핀 왁스를 대체할 수 있는 생분해성 고분자를 도출하고, 이를 본 발명 종이 코팅용 조성물의 일 구성으로 적용하였다.
본 발명 코팅 조성물의 유효성분으로 포함되는 상기 생분해성 고분자는 카제인 나트륨(sodium caseinate, SC), 폴리락틱산(polylatic acid, PLA) 및 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 화합물일 수 있다.
구체적으로, 상기 카제인 나트륨(sodium caseinate, SC)은 우유에서 유래된 카제인 기반의 고분자로, 합성 고분자로 흔히 알려진 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 및 폴리락틱산(polylatic acid, PLA)과 같이 필름 형성력이 우수하여 생분해성 코팅제로 많이 활용되는 것이 특징이다.
보다 구체적으로, 상기 생분해성 고분자는 카제인 나트륨, 폴리락틱산 및 폴리비닐알코올을 포함하는 것으로, 상기 카제인 나트륨, 폴리락틱산 및 폴리비닐알코올을 1:1:1 내지 1:10:10의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 중량 범위에 의하는 경우, 본 조성물이 코팅되는 종이의 생분해성, 단열성 및 내수성을 동시에 발휘되도록 할 수 있으며, 상기 중량 범위를 초과하거나 상기 중량 범위 미만인 경우, 목적하는 3가지 효과 중 어느 하나를 발휘할 수 없는 단점이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단열성 및 내수성이 우수한 종이는 상기 조성물이 코팅된 것이다.
즉, 상기 종이는 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물이 코팅된 것으로, 상기 조성물에 포함된 각 유효성분의 혼합에 따른 상승 효과로, 본 발명이 목적하는 단열성 및 내수성이 극대화될 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 종이의 적용 용도는 포장용 골판지 등의 재료로 적용될 수 있으나, 이는 일 예시에 불과하며, 종이를 재질로 하여 형성된 제품으로 단열성 및 내수성이 요구되는 제품이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있는 것으로 정의한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅 방법은 1) 종이의 일면에 종이 코팅용 조성물을 1차 도포하는 단계; 2) 상기 조성물이 도포된 종이를 40 내지 60℃의 온도 조건에서 10 내지 20분 간 1차 건조한 후, 20 내지 25℃의 온도 조건에서 30 내지 40분 간 유지하여 제1 코팅층을 형성하는 단계; 3) 상기 1차 코팅층의 상면에 종이 코팅용 조성물을 2차 도포하는 단계; 및 4) 상기 2차 도포단계를 거친 종이를 70 내지 90℃의 온도 조건에서 5 내지 10분 간 2차 건조하여 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.
구체적으로, 상기 1) 단계는 종이를 마련하고, 이의 일면에 본원발명의 종이 코팅용 조성물을 1차 도포하는 단계로, 바람직하게는 상기 1차 도포 단계에서의 조성물 코팅량은 20 내지 30 g/m2의 코팅량으로 도포할 수 있다.
한편, 상기 2) 단계는 상기 조성물이 도포된 종이를 40 내지 60℃ 온도 조건에서 10 내지 20분 간 1차 건조한 후, 20 내지 25℃의 온도 조건에서 30 내지 40분 간 유지함을 통해 제1 코팅층을 형성하는 단계로, 상기 2차 건조 시의 온도보다 낮은 온도에서 수행되는 특징이 있다.
이를 통해, 코팅 조성물이 갖는 휘발성을 고려하여 러프하고 넓은 면적으로 코팅하기 위한 프라이머 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 코팅 조성물의 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 3) 단계는 1차 코팅층의 상면에 재차 코팅용 조성물을 도포하는 단계로, 바람직하게는 상기 2차 도포 단계에서의 조성물 코팅량은 15 내지 20 g/m2의 코팅량으로 도포할 수 있다.
한편, 상기 4) 단계는 2차 도포단계를 거친 종이를 70 내지 90℃의 온도 조건에서 5 내지 10분 간 2차 건조하여, 제2 코팅층을 형성하는 단계이다. 이와 같이 본 발명의 코팅 방법은, 두 번 코팅 처리하여 형성된 코팅층을 포함하여, 우수한 내수성 및 단열성을 발휘하는 종이를 제공할 수 있다. 두 번 도포하여 형성된 코팅층은 도포와 건조를 통해 하나의 층으로 형성되는 점에서, 최종 제품인 종이 제품에서는 코팅층이 제1층과 제2층으로 구분되지 않을 수 있다.
바람직하게는 본 발명의 종이 코팅 방법은, 2) 단계 이후, 2-1) 상기 제1 코팅층이 형성된 종이를 1 내지 5℃의 온도 조건에서 10 내지 15분 간 저온 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 저온 처리 단계를 추가로 포함하는 경우, 제1 코팅층에 포함되는 상기 조성물의 각 유효성분을 보다 치밀하게 재배치할 수 있을 뿐만 아니라, 이후 3) 단계에서 도포되는 추가 코팅 조성물과의 결합력을 향상시켜 더욱 견고한 코팅층을 형성할 수 있으며, 이를 통해 본 발명에서 목적하는 단열성 및 내수성을 보다 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
[제조예]
종이 코팅용 조성물의 제조
알코올 유래 부분의 탄소수가 12인 메타아크릴산 에스테르와 히드록시기를 가지는 메타아크릴산 에스테르를 80:20의 중량비로 공중합하여 유리전이온도 10℃, 고형분 함량 30 중량%의 아크릴 공중합체를 제조하여 이를 수용성 수지로 이용하였다. 한편, 콜로이달 실리카는 (주)에스켐텍의 "SS-SOL 30SG"을 구매하여 이용하였으며, 카제인 나트륨, 폴리락틱산 및 폴리비닐알코올을 1:5:5의 중량비로 혼합하여 생분해성 고분자로 이용하였다.
한편, 하기 화학식 1 및 2로 표시되는 첨가제는 도쿄케미칼로부터 구매하여 이용하였다:
[화학식 1]
[화학식 2]
여기서,
m은 12이며, n은 6이다.
한편, 상기 콜로이달 실리카, 수용성 수지, 생분해성 고분자 및 첨가제를 하기 표 1에 따른 중량 범위로 혼합하여 본 발명의 종이 코팅용 조성물을 제조하였다.
T1 T2 T3 T4 T5 T6
수용성 수지 100 100 100 100 100 100
콜로이달 실리카 30 15 20 30 40 45
생분해성 고분자 30 15 20 30 40 45
화학식 1로 표시되는 화합물 - 3 5 7.5 10 12
화학식 2로 표시되는 화합물 - 3 5 7.5 10 12
(단위: 중량부)
종이 코팅용 조성물이 코팅된 종이의 제조
실시예 1 내지 6
상기 T1 내지 T6의 각 코팅 조성물을 종이 기판 (두께 250 ㎛) 상에 40 g/m2 도포한 후, 100 ℃에서 열풍으로 50 내지 60분 간 건조하여, 20 ㎛의 코팅층이 형성된 실시예 1 내지 6의 종이를 각각 제조하였다.
실시예 7
1) 상기 실시예 1 내지 6에서 이용한 종이 기판과 동일한 두께의 종이 기판의 일면에 상기 T4 코팅 조성물을 25 g/m2 의 양으로 도포하고, 2) 40 내지 60℃의 온도 조건에서, 20분 간 1차 건조한 후, 이를 20 내지 25℃의 온도 조건에서 40분 간 유지하여, 제1 코팅층을 형성하였다. 3) 이후, 상기 제1 코팅층의 상면에 재차 T4 코팅 조성물을 15 g/m2의 양으로 도포한 후, 4) 70℃의 온도 조건에서 10분 간 2차 건조함을 통해, 실시예 7의 종이를 제조하였다.
실시예 8
상기 실시예 7의 제조 방법에서, 2) 단계 및 3) 단계 사이에, 2-1) 상기 제1 코팅층이 형성된 종이를 1 내지 5 ℃의 온도 조건에서 15 분간 저온 처리하는 단계를 진행 추가 진행한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일한 방법을 이용하여 실시예 8의 종이를 제조하였다.
[실험예]
본 발명 종이 코팅용 조성물의 내수성 실험
상기 실시예 1 내지 6에 따른 코팅된 종이에 대한 내수성 실험을 진행하였다.
구체적으로, 실시예 1 내지 6의 종이 표면에 증류수 20ml를 이용하여 콥(cobb) 사이즈도 측정 방법으로 5 분 동안 내수성을 측정하였다. 대조군의 경우, 코팅 조성물이 코팅되어 있지 않은 상태의 종이를 이용하여 바로 내수성을 측정하였다.
그 결과는 하기 표 2와 같으며, 콥(Cobb) 사이즈도는 그 값이 작을수록 내수성이 우수함을 의미한다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 대조군
내수성(Water Cobb(g/m2, 5min)) 35 18.8 8.7 5.4 8.8 17.4 47.5
상기 표 2를 참조할 때, 대조군에 비해 본 발명의 조성물을 코팅한 실시예 1 내지 6의 경우 우수한 내수성을 발휘함을 확인할 수 있다.
한편, 첨가제를 추가로 포함하는 실시예 2 내지 6의 경우 그 효과가 향상됨을 확인하였으며, 보다 구체적으로는 실시예 3 내지 5의 경우 가장 우수한 내수성을 나타내었다.
본 발명 종이 코팅용 조성물의 단열성 실험
상기 실시예 1 내지 6에 따른 종이에 대한 단열성 실험을 진행하였다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 6의 종이를 사용하여 동일한 규격(가로, 세로 및 높이 각각 30cm)의 육각형 상자를 제조하고, 상기 육각형 상자 내부에 얼음 팩을 넣고, 34 내지 38℃를 유지하면서, 상기 얼음팩에 포함된 얼음이 완전히 녹는데 걸리는 시간을 측정하였다.
한편, 대조군으로 상기 코팅 조성물이 코팅되지 않은 일반 종이를 사용하여 상기와 동일한 크기의 육각형 상자를 제조하여 같은 실험을 진행하였다.
그 결과는 하기 표 3과 같다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 대조군
단열성(분) 120 230 295 300 297 234 65
상기 표 3을 참고할 때, 대조군에 비해 본 발명 조성물을 코팅한 실시예 1 내지 6에서 더 우수한 단열성을 나타냄을 확인하였다.
한편, 실시예 2 내지 6의 경우 단열성이 상승됨을 확인하였으며, 보다 구체적으로는 실시예 3 내지 5의 경우가 가장 우수한 단열성능을 나타내었다.
본 발명 종이 코팅용 조성물의 생분해성 실험
실시예 1 내지 6에 따른 종이의 생분해성 실험을 진행하였다.
구체적으로, KS M 3100-1을 준용하여, 180일 간 시험 시료(실시예 1 내지 6)와 표준시료(셀룰로오스)의 발생된 이산화탄소의 양을 측정하여 비교 평가하였다.
생분해도(%)= (발생 이산화탄소의 양 / 이론적 이산화탄소의 양) X 100
그 결과는 하기 표 4와 같다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
생분해도(%) 79 89 95 98 97 90
상기 표 4에 의하면, 본 발명 코팅 조성물은 우수한 생분해성을 나타냄을 확인할 수 있다. 한편, 첨가제가 추가로 포함될 경우, 생분해성이 향상됨을 확인할 수 있으며, 구체적으로는 실시예 3 내지 5의 범위에서 생분해성이 극대화됨을 확인하였다.
본 발명 코팅방법에 의한 효과 확인
본 발명의 코팅방법에 의해 코팅된 종이의 단열성, 내수성 및 생분해성을 상기와 동일한 실험 방법을 사용하여 비교 평가하였다.
구체적으로, 상기 실시예 4의 단열성, 내수성 및 생분해성을 각각 지수 5로 고정하고, 본 발명 코팅방법이 적용된 실시예 7 및 8의 단열성, 내수성 및 생분해성을 1 내지 10의 지수로 평가하였다.
상기 지수는 숫자가 높을수록 단열성, 내수성 및 생분해성이 각각 우수한 것을 의미한다.
그 결과는 하기 표 5와 같다.
실시예4 실시예7 실시예8
내수성 5 8 10
단열성 5 7 10
생분해도 5 7 9
(단위: 지수)
상기 표 5를 참조하면, 본 발명의 코팅 방법을 적용할 경우, 통상의 코팅 방법을 적용한 실시예 4와 비교하여 동등 이상의 내수성, 단열성 및 생분해성을 나타낼 수 있음이 확인되었다.
한편, 저온처리단계를 포함하는 실시예 8의 경우 각 효과가 보다 극대화됨을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 콜로이달 실리카, 수용성 수지, 생분해성 고분자, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하며,
    상기 생분해성 고분자는 카제인 나트륨(sodium caseinate), 폴리락틱산(polylatic acid) 및 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하는 것인
    무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물:
    [화학식 1]

    [화학식 2]

    여기서,
    m은 1 내지 20의 정수이며,
    n은 1 내지 10의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이달 실리카는 직경 5 내지 20 nm의 실리카(SiO2) 입자를 포함하는
    무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성물의 점도는 40 내지 200cps인
    무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 수지는 아크릴 에멀젼, 메틸롤화요소 에멀젼, 메틸롤화멜라닌 에멀젼, 카르복시메틸셀룰로오스 에멀젼, 에틸렌비닐아세테이트 에멀젼, 우레탄 에멀젼, 폴리염화비닐리덴 에멀젼, 라텍스 에멀젼, 스티렌 에멀젼, 폴리비닐알코올 용액 및 폴리비닐아세테이트 용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 중합체인
    무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 조성물이 코팅된
    단열성 및 내수성이 우수한 종이.
  7. 1) 종이의 일면에 종이 코팅용 조성물을 1차 도포하는 단계;
    2) 상기 조성물이 도포된 종이를 40 내지 60℃의 온도 조건에서 10 내지 20분 간 1차 건조한 후, 20 내지 25℃의 온도 조건에서 30 내지 40분 간 유지하여 제1 코팅층을 형성하는 단계;
    3) 상기 제1 코팅층의 상면에 종이 코팅용 조성물을 2차 도포하는 단계; 및
    4) 상기 2차 도포단계를 거친 종이를 70 내지 90℃의 온도 조건에서 5 내지 10분 간 2차 건조하여 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅 방법이며,
    상기 종이 코팅용 조성물은 콜로이달 실리카, 수용성 수지, 생분해성 고분자, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하며,
    상기 생분해성 고분자는 카제인 나트륨(sodium caseinate), 폴리락틱산(polylatic acid) 및 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하는 것인
    단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅 방법:
    [화학식 1]

    [화학식 2]

    여기서,
    m은 1 내지 20의 정수이며,
    n은 1 내지 10의 정수이다.
KR1020230134315A 2023-10-10 2023-10-10 무기소재 기반의 단열성 및 내수성이 우수한 종이 코팅용 조성물 및 이를 이용한 종이 코팅 방법 KR102659000B1 (ko)

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