KR20010089942A

KR20010089942A - 고내열성 폴리에스터 병용 수지제조방법

Info

Publication number: KR20010089942A
Application number: KR1020000013095A
Authority: KR
Inventors: 홍운기; 김석수; 신규환; 정종식; 이영호; 임성연
Original assignee: 양갑석; 주식회사 고합
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-10-17

Abstract

본 발명은 고온의 액체음료를 충진할 수 있는 내열성이 우수한 폴리에스터 병을 생산하기에 적합한 폴리에스테르(PET, Polyethylene terephthalate) 수지제조방법에 관한 것으로서, 고순도테레프탈산( PTA, Purified terephthalic acid)과 에틸렌 글리콜(EG)을 주원료로하여 촉매 및 보조촉매, 열안정제를 적정한 농도로 조합하여 고유점도(IV, Intrinsic Viscosity) 0.55 내지 0.67 dl/g 범위의 기본중합체(Base Chip)를 제조하고, 결정화 및 고상중합공정을 통해 고유점도 0.70 내지 1.0 dl/g 까지 점도를 높여 고내열성의 수지로 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 고내열성 수지는 0.5 내지 2.0 ℓ 범위의 과즙음료병으로 내용물을 85℃ 내지 105℃ 고온충진시 열변형, 결정화, 수축율 등이 특히 적은 고투명성 병으로 성형하여 사용할 수 있다.

특히 종래의 수지로 제조한 내열 병(충진온도 85 내지 88℃)보다 훨씬 높은 온도인 90℃ 내지 95℃의 액체음료를 충진할 수 있는 고내열성의 병 셩형이 가능한 폴리에스테르 수지이다.

Description

고내열성 폴리에스터 병용 수지제조방법{Polyester Resin Manufacturing method for high heat resistance bottle}

본 발명은 고온의 액체음료를 충진할 수 있는 내열성이 우수한 폴리에스터 병을 생산하기에 적합한 고내열성 폴리에스터 병용 수지제조방법에 관한 것이다.

PET(Polyethylene terephthalate)는 고순도 테레프탈산(PTA, Purified terephthalic Acid) 또는 디메틸테레프탈레이트(DMT)를 에틸렌글리콜(EG)과 반응시켜 제조되는 열가소성 폴리에스테르 수지로서 초기에는 섬유용으로 주로 사용되었으나, 현재는 이축(二軸) 배합 연신블로우 용기(Biaxially Oriented Stretch Blown Bottle)로 성형하여 생수, 탄산음료, 알코올음료, 과즙음료, 기타 일반 음식품 포장에 폭넓게 사용되고 있다.

특히 PET 용기는 우수한 기계적 성질, 가스 차단성(Gas Barrier), 내화학성(Chemical Resistance), 투명성, 광택성을 가지고 있어 그 용도는 더욱 확대될 전망이다.

대부분의 PET 용기는 상온 또는 70℃ 이하의 온도에서 내용물을 충진하고 있으며 쥬스류를 포함한 많은 과즙 음료 등은 85℃ 내지 88℃ 정도의 액(Liquid)을충진하고 있다. 높은 온도의 충진은 살균 및 탈색과 산화방지에 필요한 요건이기 때문이다.

이러한 기존의 PET 수지로는 열수로 살균 세척시 성형용기의 변형이 발생하여 고온살균 충진용 용기로는 사용하기 어렵다.

본 발명은 고투명성의 고점도, 고내열성의 선상고분자구조의 폴리에스테르(PET) 수지제조에 있어 용융중합단계에서 첨가제의 선택과 조합을 통한 클린 중합체(Clean Polymer) 제조조건 및 내열용기(heat resistance bottle) 성형조건 최적화를 이루고, 궁극적으로는 액체음료의 충진(Filling) 온도를 기존의 85 내지 88℃로부터 92 내지 100℃ 수준까지 높일 수 있는 고내열성 용기를 만들 수 있는 폴리에스테르 수지를 제조하는 방법 및 병 성형방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 폴리에스터 수지 제조방법은 테레프탈산 또는 디메틸테레프탈레이트(DMT)와 에틸렌글리콜의 폴리에스터 중합에 의해 선상고분자 구조의 폴리에스테르 수지를 제조하여 90℃ 이상의 고온 액체 충진시 용기부피 수축율이 1.5이내가 가능한 고내열성 폴리에스테르 수지를 제조한다.

본 발명의 병 셩형방법은 고유점도 0.5 내지 1.0, 융점 245 내지 260℃의 물성을 갖는 PET 수지를 제조하여 예비성형물을 275 내지 295℃에서 성형하고 넥크부 결정화를 100 내지 200℃에서 행하며, 열고정을 160 내지 200℃에서 행하고, 다단블로잉을 90 내지 120℃에서 20 내지 40 kg/cm²압력으로 행하는 과정을 거쳐 90℃ 이상의 고온액체 충진용 용기를 제조한다.

본 발명의 폴리에스테르 수지 제조방법과 병 성형방법을 상세히 설명한다.

본 발명은 고순도 테레프탈산(PTA)과 에틸렌글리콜(EG)을 원료로하여 촉매, 열안정제, 보조촉매, 색상개선제 등의 첨가제를 일정농도로 조절하여 고유점도(IV) 0.550 내지 0.670 dl/g 범위의 기본수지(Base Polymer)를 제조한 다음 결정화 및 고상중합을 거쳐 고유점도(IV) 0.70 내지 1.0 dl/g 의 고점도 수지를 제조하여 고온액체음료 충전용 병을 성형하는 일련의 프로세스를 제공한다.

PET 수지는 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(EG)을 주원료로하여 에스테르화 반응 및 축중합(Polycondensation) 반응을 거쳐 중합도(Degree of Polymerization)가 약 100 전후 수준의 기본수지(Base Polymer)로 제조되고, 이 기본수지는 결정화 및 고상중합을 거쳐 고점도(고유점도 0.70 내지 1.0 dl/g)의 중합체가 된다.

주원료로는 고순도 이소프탈산, 프탈산, 1,4-사이크로헥산디메탄올, 디에틸렌글리콜, 비스페놀 유도체를 추가로 사용할 수 있다.

수지의 중요물성은 고유점도(IV), 색상(Color), 융점, 잔류 카복시 그룹(Carboxy End Group), 디에틸렌글리콜(DEG, Diethylene Glycol) 함량 등을 관리한다.

펠렛(Pellet)의 크기(Size)는 고상중합후 결정화도 및 점도의 균일화를 위해기본수지 제조단계에서부터 가능한한 균일하게 제조하는 것이 바람직하며, 보통 펠렛 100 개의 중량이 1.5 내지 3.0 g 의 범위의 크기로 제조된다.

펠렛의 비표면적을 증가시키기 위해 지나치게 작은 분말형태 수준까지 제조시는 고상중합과정에서 물성의 불균일 및 재료(Material)의 흐름(Flow) 불안정 등이 있을 수 있으므로 설비적 특성도 고려하는 것이 좋다.

중합촉매는 삼산화안티몬과 안티몬트리아세테이트(Antimony Triacetate)가 사용되며 그 비율은 0:100에서 50:50 까지의 혼합비로 적용되며, Sb_nO_m(n=2, m=3 내지 5)의 불용성 불순물(Impurity) 및 Pb, N 기타 금속성분(Metalic Component) 등 불순물이 거의 없는 고순도(99.8이상의 순도)의 촉매를 사용한다.

또한 후가공에서의 열안정성을 부여하기 위해 인화합물을 에틸렌글리콜과 함께 조제하여 함께 사용하며, 수지의 색상 개선을 위해 코발트아세테이트 및 Tin 계 화합물을 보조촉매로 일정한 농도로 사용한다.

촉매 및 보조촉매, 열안정제 등은 에스테르화 반응 직전 또는 축중합 직전에 에틸렌글리콜에 완전히 용해 분산시켜 1 내지 2 μ 정도의 정밀한 필터에서 여과하여 투입한다.

특히 융점의 균일한 및 분자구조의 안정화를 위해 이들 보조재(Sub-Material)의 균일한 농도유지 및 안정적 정량공급은 매우 중요하다.

중축합촉매는 삼산화안티몬 및 안티몬트리아세테이트, 산화게르마늄을 단독 또는 복합으로 200 내지 750 ppm/PET, 열안정제로서 인화합물을 100 내지 200ppm/PET, 보조촉매로서 코발트아세테이트 50 내지 200 ppm, Tin 계 화합물 10 내지 100 ppm 첨가할 수 있다. 인화합물은 트리메탈포스페이트, 트리에틸포스페이트, 트리페닐포스페이트 인산을 포함한다.

에스테르화 반응단계에서는 상압 내지 1.0 kg/cm²전후의 가압조건에서 245 내지 260℃ 범위내에서 반응시켜 중합도 3 내지 10 정도의 올리고머(Oligomer)를 형성시킨 후, 축중합단계에서는 275 내지 285℃에서 1 Torr 이하의 고진공조건으로 반응시켜, 고유점도 0.57 내지 0.67 dl/g 의 용융중합체를 제조하여 1.5 내지 3.0 g/100 개 정도 규격의 펠렛을 만든다.

선상고분자 구조의 완전 투명한 슈퍼 브라이트(Super Bright) 상태의 기본 펠렛은 예비결정화, 결정화 및 고상중합의 단계를 거쳐 결정화도 45내지 60수준의 고유점도 0.70 내지 1.0 dl/g 의 고점도 수지로 제조된다.

이 고상수지는 융점 245 내지 260℃ 정도의 융점을 갖게 되며 일반상압용기, 내압용기는 물론 고온음료 충진용 병의 원료로 사용된다.

PET 는 유리전이온도(Tg)가 67℃ 내지 81℃ 로서 변형개시온도가 약 70℃ 이므로 수지제조단계에서부터 더 높은 내열성을 부여하여 용기성형과정에서 적절한 열고정(Heat Setting)을 시켜주면 기존의 85℃ 내지 88℃ 보다 훨씬 높은 온도의 음료를 충진(Hot Filling)할 수 있는 안정된 내열성 PET 용기를 제조하여 사용범위를 확대할 수 있다.

고유점도 0.70 내지 1.0 dl/g 범위내에서 제조된 내열성 PET 수지의 수분을50 ppm 이하로 건조한 다음 성형기에서 병으로 성형한다.

본 발명의 병 성형과정은 다음과 같은 과정을 거쳐 이루어진다.

1. PET 펠렛 건조

140 내지 180℃에서 3 내지 6 시간동안 건조하여 수분 50 ppm 이하로 한다.

2. Preform 성형

270℃ 내지 295℃에서 예비성형물을 성형한다.

3. Neck부 결정화

100 내지 125℃에서 200 내지 400 초(sec)간 냉각수 10 내지 30℃로 결정화한다.

4. 열고정 및 블로잉(Heat Setting and Blowing)

먼저 1차 블로잉을 15 내지 30 kg/cm²에서 80 내지 140℃로 행한다.

열고정 온도를 160 내지 190℃로 한다.

2차 블로잉을 20 내지 45 kg/cm²에서 80 내지 130℃로 행한다.

5. 검사 및 포장

외관 및 투명도 검사, 내열도 검사(92℃ 온수 충진 후 5 분이상 경과 후

수축을 검사)

고점도의 고상중합된 펠렛으로 고온음료용 병을 성형하기 위해서는 펠렛 수분을 50 ppm 이하로 건조시켜 270 내지 295℃ 정도의 사출기 배럴(Barrel) 온도조건으로 예비성형물(Preform)을 제조한 다음, 예비성형물 입구(병 입구) 부분을 100 내지 125℃ 온도에서 결정화 및 냉각시켜 블로우 설비에 보낸다.

입구부분은 고온 액체음료 충진시 가장 먼저 고온의 액체가 접촉되는 부분이므로 결정화 처리를 한다. 입구부분이 결정화 처리된 예비성형물은 블로우 성형 설비에서 80 내지 140℃ 정도로 가열하여 15 내지 30 kg/cm²의 압축공기로 1차 블로잉 시킨 직후 160 내지 190℃로 승온하여 열고정(Heat Setting)을 시키고, 다시 80 내지 130℃ 온도에서 20 내지 45 kg/cm²의 압축공기로 2차 블로잉하여 완전한 성형품의 내열성 병으로 제조한다.

검사과정에서 병의 투명도 및 연신의 균일도, 편육, 바닥 게이트 센터(Gate Center) 등의 외관검사가 이루어지며, 내열도 측정을 위해서 약 92℃의 온수(Hot Water)를 가득(Full) 충진 후 5분 이상 방치한 다음에 온수(Hot Water) 충진 전후의 부피를 측정하여 수축율을 측정하게 된다.

병 제조회사마다 기준의 차이는 있겠으나, 92℃의 온수(Hot Water)로 시험하여 약 1.5이하의 수축율 변화를 허용치로 삼고 있다.

[실시예]

고순도 테레프탈산(PTA)과 에틸렌글리콜(EG)에 안티몬아세테이트 500 내지 700 ppm/PET, 코발트아세테이트 100 내지 150 ppm/PET, 트리에틸포스페이트 150 내지 200 ppm, Tin 계 화합물 10 내지 50 ppm을 첨가하여 제조한 수지(Polymer)를 고유점도 0.85 수준까지 고상중합시킨 다음 1.5ℓ 내의 쥬스병을 성형하였다.

표1. 용융중합체(Base Polymer) 및 고상중합체 물성

구분	고유점도(Ⅳ)	Color	Carboxyl End Group(Eq/TON)	융점(℃)	아세트-알데히드(ppm)	DEG함량(wt)	100EA중량(g)	Bottle성형후수축율()
		L							b
BasePolymer	0.654	51.2	-0.46	18.6	255.8	55.0	1.21	2.5	0.6
고상중합체	0.851	89.0	2.3	2.3	252.8	0.30	1.15	2.5

* 용융중합체는 배치(Batch) 중합에서 생산하였으며, 고상중합은 연속식설비생산.

표2. 내열 병(Bottle) 성형조건

성형절차	생 산 조 건	비 고
Pellet 건조	160℃ × 4시간	Hopper Dryer설비
사출기 Barrel 온도(Preform제조)	Neck	Front	Middle	Rear	2-Stage의 ASB 설비
사출기 Barrel 온도(Preform제조)	280℃	280℃	280℃	280℃
Neck부 결정화	110℃ × 300 초
1차 Blowing	25kg/cm²× 107℃
Heat Setting	180℃ × 6 초
2차 Blowing	305kg/cm²× (100~104℃)
냉각수	15℃ Chilled Water
Bottle 성형품	부피	1.5L. 쥬스병
	투명도	HAZE 0.3 이하(양호)
	외관	양호
	내열도	수축율 0.6(92℃ Hot Water)

상기 표1,2를 참조하면, 본 발명의 제조방법으로 만들어진 수지를 사용하여 내열 병 성형시 시장에서 유통중인 병에 비해 훨씬 높은 온도인 92 내지 100℃ 정도의 액체음료 충진이 가능한 고내열성 병 생산이 가능하고, 열수축율도 1미만으로 우수하게 나타남이 확인되었다.

본 발명에 따르면 종래의 과즙음료병은 성형후 보통 85℃ 내지 88℃ 정도의액체음료를 충전하고 있으나, 이와는 달리 내열 병용 원료의 내밀도를 향상시켜 90℃ 내지 95℃의 충진온도에서도 병의 변형이 일어나지 않는 등 85℃ 내지 100℃ 정도의 광범위 고내열성의 병을 제조가능한 폴리에스테르 수지를 제공하는 효과가 있다.

Claims

테레프탈산 또는 디메틸테레프탈레이트(DMT)와 에틸렌글리콜의 폴리에스터 중합에 의해 선상고분자 구조의 폴리에스테르 수지를 제조하여 90℃ 이상의 고온 액체 충진시 용기부피 수축율이 1.5이내가 가능한 고내열성 폴리에스테르 수지 제조방법.
제1항에 있어서,

중축합촉매를 삼산화안티몬 및 안티몬트리아세테이트, 산화게르마늄을 단독 또는 복합으로 200 내지 750 ppm/PET, 열안정제로서 인화합물을 100 내지 200 ppm/PET, 보조촉매로서 코발트아세테이트 50 내지 200 ppm, Tin 계 화합물 10 내지 100 ppm 첨가하여 내열 용기용 폴리에스테르 수지를 제조하는 방법.
제2항에 있어서,

상기 인화합물은 트리메탈포스페이트, 트리에틸포스페이트, 트리페닐포스페이트 인산을 포함하는 폴리에스테르 수지 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

고순도 이소프탈산, 프탈산, 1,4-사이크로헥산디메탄올, 디에틸렌글리콜, 비스페놀 유도체를 추가로 사용하여 과즙음료용 내열용기 제조용 폴리에스테르 수지제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

고유점도 0.5 내지 1.0, 융점 245 내지 260℃의 물성을 갖는 PET 수지를 제조하여 예비성형물을 275 내지 295℃에서 성형하고 넥크부 결정화를 100 내지 200℃에서 행하며, 열고정을 160 내지 200℃에서 행하고, 다단 블로잉을 90 내지 120℃에서 20 내지 40 kg/cm²압력으로 행하는 과정을 거쳐 90℃ 이상의 고온액체 충진용 용기를 제조하는 방법.