KR102860552B1 - 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법 및 이에 따른 코팅제 조성물 - Google Patents

내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법 및 이에 따른 코팅제 조성물

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Abstract

본 발명은 (a) 스테아린 산을 정제수에 투입하고 혼합하여 스테아린 산 용액을 제조하는 단계, (b) 단계 (a)의 스테아린 산 용액에 분산 안정제와 비이온 계면활성제를 투입하여 스테아린 산 에멀젼을 제조하는 단계 및 (c) 단계 (b)의 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 혼합하는 단계를 포함하는 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법 및 이에 따른 코팅제 조성물{Method for producing adhesive composition having water resistance and oil resistance and adhesive composition according to the method}
본 발명은 코팅제의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로, 내수 및 내유성을 가지는 식품포장지용 코팅제 조성물의 제조방법 및 이에 따른 코팅제 조성물에 관한 것이다.
현대의 사회생활은 활동시간과 이동거리와 습득하여야 할 정보 등이 늘어나는 동시에 제한된 시간을 최대한 효율적으로 사용하여야 한다.
인간의 활동 중에서 제외할 수 없는 것이 에너지를 제공하는 음식물 섭취이며, 바쁜 현대 사회생활 속에서도 한정된 시간 속에서 필요한 음식물을 빠른 시간에 간편하게 섭취할 필요가 있어 다양한 용기가 사용되고 있다.
특히, 현대 생활은 발달한 과학기술, 생활수준과 문화의 질적 향상 및 편리함 추구 등에 의하여 일회용품의 사용이 급격히 중가하면서 음료용으로 자동판매기의 컵, 음료수를 포장하는 용기, 컵라면 용기, 테이크아웃용 용기, 아이스크림용 용기 등과 같이 다양한 일회용 용기가 개발되어 사용되고 있다.
상기와 같은 일회용 용기는 종이를 사용하는 경우가 많으며, 종이의 경우 흡습성의 문제를 해결하기 위하여 방수성 재질로 내부를 코팅한다.
상기 종이용기의 코팅에 많이 사용되는 것이 폴리에틸렌(POLYETHYLENE: PE)이다.
일반적으로 폴리에틸렌은 플라스틱으로 알려져 있으며 가볍고, 녹슬지 않으며 썩지 않을 뿐만 아니라 화학적 안전성, 내수성, 유연성, 절연성, 성형성 등의 장점에 의하여 주변 생활용품에 많이 사용되는 화학물질이다.
상기 폴리에틸렌은 일반적으로 식품위생성이 우수하고, 유통가격이 비교적 저렴한 등의 이유에 의하여 다양한 식품 용기의 내부에 코팅되어 방수 등의 목적으로 사용되고 있으나 이를 이용한 코팅용기는 사용 및 폐기과정에서 환경호르몬이 방출될 수 있다. 또한, 폴리에틸렌 코팅용기는 사용 후 재활용을 위해 해리하는 과정에서 물에 해리되지 않으므로 선별 과정을 거쳐야 하기 때문에 재활용 비용이 증가된다.
이에 따라 종이 용기 제조에 계속적인 펄프의 수입이 이루어지며, 이에 대한 자원의 재활용 관점 및 환경파괴에 서 그 한계점이 있을 뿐만 아니라, 소각 시 발생하는 매연은 대기오염을 유발하고, 매립을 하여도 자연 분해가 되기까지 수백 년이 걸리기 때문에 토양 오염의 주범이 된다. 더욱이, 폴리에틸렌 코팅공정은 원천적으로 요구되는 200 ℃ 가량의 폴리에틸렌 칩의 용해공정 및 이에 대한 휘발성 유기용제(VOCs)로 인하여 고비용 및 작업환경 저하/대기오염으로 인한 환경문제를 유발한다.
또한, 폴리에틸렌 코팅은 사용조건에 따라 환경호르몬의 방출과 발암물질에 노출될 위험이 매우 높으며, 장기간 인체에 노출시 그 독성을 유발하기 때문에 식품위생 및 안전성 측면에서 문제가 제기되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1039637호 (2011.06.08. 공고)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내수 및 내유성을 가지는 것은 물론, 수해리성을 가지는 식품포장지용 코팅제 조성물의 제조방법 및 이에 따른 코팅제 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명은 일 실시형태로, (a) 스테아린 산을 정제수에 투입하고 혼합하여 스테아린 산 용액을 제조하는 단계, (b) 단계 (a)의 스테아린 산 용액에 분산 안정제와 비이온 계면활성제를 투입하여 스테아린 산 에멀젼을 제조하는 단계 및 (c) 단계 (b)의 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 혼합하는 단계를 포함하는, 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법을 제공한다.
아울러, 단계 (a)는, 정제수 100 중량부를 기준으로, 스테아린 산 20~50 중량부를 투입하고, 65~75 ℃의 온도에서 수행할 수 있다.
아울러, 단계 (b)에서 스테아린 산 에멀젼은 180~220 pcs의 점도를 가지며, 비휘발성이 15~25 중량%일 수 있다.
아울러, 단계 (b)는, 정제수 100 중량부를 기준으로, 분산 안정제 1-3 중량부 및 비이온 계면활성제 1-3 중량부를 혼합할 수 있다.
아울러, 단계 (c)에서 혼합은, 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 4~6:6~4의 중량비로 수행할 수 있다.
아울러, 아크릴 에멀젼 코폴리머는, 300~400 pcs의 점도를 가지며, 비휘발성(NV)이 40~45 중량%일 수 있다.
본 발명은 전술한 방법으로 제조된 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물을 제공한다.
아울러, 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물은 수해리성을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, sealing 특성을 부여하고 블록킹성을 향상시켜 일회용 종이 봉투나 빨대 등에 적용 가능한 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 내유성과 내수성이 향상됨에 따라 식품포장지용 코팅제로 적용할 수 있다.
또한, 폐기시 24 시간 내에 100 % 수해리되어 환경친화적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 코팅제 조성물의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 실시형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시형태에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시형태인 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명은 일 실시형태로, (a) 스테아린 산을 정제수에 투입하고 혼합하여 스테아린 산 용액을 제조하는 단계(S100), (b) 단계 (a)의 스테아린 산 용액에 분산 안정제와 비이온 계면활성제를 투입하여 스테아린 산 에멀젼을 제조하는 단계(S200) 및 (c) 단계 (b)의 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 혼합하는 단계(S300)를 포함하는 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법을 제공한다.
스테아린 산 용액을 제조하는 단계 (a)
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 스테아린 산을 정제수에 투입하고 혼합하여 스테아린 산 용액을 제조하는 단계(S100)가 수행된다.
본 발명에서 사용하는 용어 “스테아린 산”은 1-Heptadecanecarboxylic acid, Octadecanoic acid, Stearophanic acid으로도 불리우며, 18개의 탄소로 구성된　포화 지방산을 말한다. 또한, 형태는 왁스 같은 고체이고, 화학식은 CH3(CH2)16COOH이다.
본 발명에서 사용하는 스테아린 산의 분자량은 284.48이고, 녹는 점은 69~71 ℃이다.
또한, 스테아린 산은 팜나무로부터 유래된 것일 수 있다.
단계 (a)는, 정제수 100 중량부를 기준으로, 스테아린 산 20~50 중량부를 투입하고, 65~75 ℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 구체적으로 70 ℃의 온도에서 수행할 수 있다. 스테아린 산과 정제수가 완전히 혼합할 수 있는 시간이라면 시간은 제한하지 않는다.
단계 (a)에서 스테아린 산의 ?t량이 20 중량부 미만이면 스테아린 산의 함량이 낮아 스테아린 산 에멀젼 제조시 수득율이 저하될 수 있고, 50 중량부를 초과하면 과투입되어 다음 단계인 분산 안정제와 비이온 계면활성제 혼합시 혼합이 용이하지 못하여 에멀젼 제조시 수득율이 저하될 수 있다.
스테아린 산 에멀젼을 제조하는 단계 (b)
다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 단계 (a)의 스테아린 산 용액에 분산 안정제와 비이온 계면활성제를 투입하여 스테아린 산 에멀젼을 제조하는 단계(S200)가 수행된다.
본 발명에서 사용하는 용어 “분산 안정제”는 동 기술에 사용되는 것이라면 제한 없이 사용 가능하며, 구체적으로, 폴리비닐알콜, 폴리옥시알킬렌페닐에테르황산염, 메틸 셀룰로즈 등의 셀루룰로오스 유도체, 식물성 및 동물성 유도체인 알긴산염, 카제인 및 소디움 카르복시메틸 셀룰로오스로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1 종 이상일 수 있다.
비이온 계면활성제는 동 기술에 사용되는 것이라면 제한 없이 사용 가능하며, 구체적으로, 알코올 에톡실레이트(AE), 알킬페놀에 톡실레이트(APE), 메틸 에스테르 에톡실레이트(MEE), 에톡실레이티드 아민, 에톡실레이 티드 아미드, 알킬글리코시드(APG), 폴리에틸렌옥사이드-폴리알킬렌 옥사이드 디블록 공 중합체 및 폴리에틸렌 글리콜 소비탄 모노올레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1 종 이상일 수 있다.
단계 (b)에서 스테아린 산 용액, 분산 안정제, 비이온 계면활성제를 혼합하여 스테아린 산 에멀젼을 제조할 수 있는데, 분산 안정제와 비이온 계면활성제의 함량은 단계 (a)의 정제수 100 중량부를 기준으로, 분산 안정제 1-3 중량부 및 비이온 계면활성제 1-3 중량부를 혼합할 수 있다.
단계 (b)에서 제조된 스테아린 산 에멀젼은 180~220 pcs의 점도를 가지며, NV가 15~25 중량%일 수 있으며, 구체적으로 200 pcs의 점도를 가질 수 있고, NV가 20 중량%일 수 있다.
혼합 단계 (c)
마지막으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 단계 (b)의 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 혼합하는 단계(S300)가 수행된다.
단계 (c)에서 혼합은, 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 4~6:6~4의 중량비로 수행할 수 있으며, 구체적으로 4:6 중량비로 혼합할 수 있다.
스테아린 산의 함량이 4 중량부 미만이면 코팅제의 목적하는 내유성을 발휘하지 못하고, 스테이란 산의 함량이 6 중량부를 초고하면 코팅제의 목적하는 내수성을 발휘하지 못한다. 즉, 상기한 함량을 벗어나는 경우 내수성과 내유성의 균형을 맞추지 못하는 문제가 있다.
단계 (c)에서 아크릴 에멀젼 코폴리머는 300~400 pcs의 점도를 가지며, NV가 40~45 중량%일 수 있으며, 구체적으로, 350 pcs의 점도를 가지며, NV가 42 중량%일 수 있다.
단계 (c)에서 사용되는 아크릴 에멀젼 코폴리머는 통상의 방법으로 제조할 수 있으며, 일예로, 스티렌 모노머, 메틸메타 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트 아크릴모노머로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1 종 이상의 것과, 용매 및 유화제를 혼합하고 50~80 ℃의 온도에서 유화 중합하여 제조할 수 있다.
또한, 용매는 증류수를 사용할 수 있으며, 유화제는 시중에 판매되는 것을 구입하여 사용할 수 있으며, 이를 제한하지는 않는다.
본 발명은 전술한 방법으로 제조된 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물을 제공한다.
내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물은 수해리성을 가질 수 있으며, 구체적으로 24 시간 내에 100 % 수해리 되는 것을 특징으로 한다.
전술한 코팅제 조성물은 식품 포장용 제지 또는 종이 빨대 등에 적용할 수 있다.
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되지 않는다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
<실시예>
실시예 1
먼저, 정제수 100 ml에 스테아린 산 20 g을 투입하고 70 ℃로 가열하면서 혼합하여 스테아린 산 용액을 제조한 이후에 분산 안정제 1 g과 비이온 계면활성제 1 g을 투입하여 점도가 200 pcs이고, NV가 20 중량%인 스테아린 산 에멀젼을 제조하였다.
다음으로, 제조된 스테아린 산 에멀젼과 점도가 350 pcs이고, NV가 42 중량%인 아크릴 에멀젼 코폴리머를 4:6 중량비로 혼합하여 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 제조하되,
정제수 (100) ml에 스테아린 산 50 g을 투입하였으며, 분산 안정제 3 g과 비이온 계면활성제 3 g을 사용하여 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일하게 제조하되, 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 6:4 중량비로 혼합하여 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물를 제조하였다.
실시예 4
실시예 2와 동일하게 제조하되, 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 6:4 중량비로 혼합하여 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물를 제조하였다.
<비교예>
실시예 1과 동일하게 제조하되 스테아린 산 대신에 파라핀 왁스를 이용하여 코팅제 조성물을 제조하였다.
<시험예>
실시예 1 및 비교예에 따라 제조된 코팅제 조성물을 코팅지에 코팅하여 물성을 평가하였다.
코팅지는 무림 160 g 백박리지를 사용하였고, 코팅은 마이크로 그라비아 방식으로 코팅제 조성물을 코팅하고 150 ℃의 온도에서 2 분 동안 건조하여 10 g/m2이 되도록 제조하고 물성을 평가하였다.
하기의 표 1 및 2는 그 결과를 나타낸 것이다.
-시험방법-
내유성: 미국제지펄프기술협회 시험법(TAPPI T559cm-02)으로 측정
내수성: 제지산업의 통상적인 방법 중 하나인 Cobb size 시험방법(TAPPI T441)으로 측정하였다.
AA blocking level: A면은 코팅된 면이며 코팅된 면끼리 서로 겹쳐서 0.5kg/cm2 무게를 누르고 60 ℃의 온도, 75% 수분 조건하에서 24 시간 후 붙어있는 정도를 측정하였다.
AB blocking level: A면은 코팅된 면이고, B면은 종이 면으로, AB 면끼리 서로 겹쳐서 0.5 kg/cm2 무게를 누르고 60 ℃의 온도, 75 % 수분 조건하에서 24 시간 후 붙어있는 정도를 측정하였다.
AA 열접착: A면은 코팅된 면이며 코팅된 면끼리 서로 겹쳐서 150 ℃의 온도에서 2 초 동안 누른 후 접착되는 정도를 측정하였다.
AB 열접착: A면은 코팅된 면이며, B 면은 종이 면으로, AB 면끼리 서로 겹쳐서 150 ℃의 온도에서 2 초 동안 누른 후 접착되는 정도를 측정하였다.
구분 비교예 실시예 1
코팅량 10 g 10 g
KIT No.(내유성) 2 4
Cobb.size(내수성) 20 3.3
AA blocking level 2 2
AB blocking level 3 5
AA 열접착 ok ok
AB 열접착 ok ok
Acryl emulsion
Copolymer (중량%)		 stearic acid wa(중량%) Water repellency rating Oil repellency rating
0 10 70 0
20 80 0
40 80 0
40 10 80 6
20 90 7
40 90 7
60 10 90 7
20 90 7
40 100 7
표 1 및 2를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 코팅제 조성물의 내유성은 미국제지펄프기술협회 시험법(TAPPIT559cm-02)으로 시험하였을 때, kit # 4를 달성하였고, 내수성은 제지산업의 통상적인 방법 중 하나인 일명 Cobb size 시험방법(TAPPI T441)을 준용하였을 때, 3.3 g/㎡ 이하의 내수성을 나타내었다.
또한, AA blocking level은 2를 나타내었고, AB blocking level은 5를 나타내였으며, 열접착은 모두 시험규격에 부합하는 것을 확인할 수 있다. 특히 이러한 결과는 비교예 보다 높은 수치를 나타내는 바, 본 발명의 제조방법인 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법에 따라 제조된 코팅제 조성물이 종래의 코팅제 대비 우수한 것을 확인할 수 있다.
더불어, 표 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 코팅제 조성물은 아크릴 에멀젼 폴리머와 스테아린 산 애멀전이 6:4 중량비로 혼합하였을 때 우수한 Water repellency rating와 Oil repellency rating을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
S100: 스테아린 산 용액 제조 단계
S200: 스테아린 산 에멀젼 제조 단계
S300: 혼합 단계

Claims (8)

  1. (a) 정제수 100 중량부에 스테아린 산(Stearic acid) 20~50 중량부를 투입하고 65~75 ℃의 온도에서 혼합하여 스테아린 산 용액을 제조하는 단계,
    (b) 상기 단계 (a)의 스테아린 산 용액에 상기 정제수 100 중량부 기준으로 분산 안정제 1~3 중량부와 비이온 계면활성제 1~3 중량부를 혼합하여 스테아린 산 에멀젼을 제조하는 단계 및
    (c) 상기 단계 (b)의 스테아린 산 에멀젼과 아크릴 에멀젼 코폴리머를 4:6 중량비로 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 아크릴 에멀젼 코폴리머는,
    스티렌 모노머, 메틸메타 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트 아크릴모노머로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1 종 이상의 것과, 용매 및 유화제를 혼합하고 50~80 ℃의 온도에서 유화 중합하여 제조된 것인,
    내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서
    상기 스테아린 산 에멀젼은 180~220 pcs의 점도를 가지며,
    비휘발성(Non volatile)이 15~25 중량%인,
    내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아크릴 에멀젼 코폴리머는,
    300~400 pcs의 점도를 가지며,
    비휘발성(NV)이 40~45 중량%인,
    내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물의 제조방법.
  7. 제1항, 제3항 및 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    수해리성을 가지는,
    내수 및 내유성을 가지는 코팅제 조성물.
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