KR20020048238A - 식음료용 플라스틱 용기의 결정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식음료용 플라스틱 병의 결정화 방법에 관한 것이다.

본 발명은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)와 같은 열가소성 결정성 수지로 만들어진 식음료 용기의 입구부분의 내열성 향상을 위하여 결정화를 시킬 때, 또는 몸체의 특정부위를 레이저(LASER)를 이용하여 결정화시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 크라운 마개용으로 쓰이는 입구의 상단부위 같은 국소적인 부분의 결정화나 몸체부분의 특정부위를 결정화시킬 때 레이저를 이용해 원하는 만큼 효과적으로 결정화시키는 방법임.

Description

식음료용 플라스틱 용기의 결정화 방법{Crystallizing method of plastic container}

본 발명은 식음료용 플라스틱 병의 결정화 방법에 관한 것이다.

본 발명은 열가소성 결정성 수지로 만들어진 식음료용 플라스틱 용기의 결정화 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, 이하 PET로 약칭한다.)와 같은 열가소성 결정성 수지로 만들어진 식음료 용기의 입구부분의 내열성 향상을 위하여 결정화를 시킬 때, 레이저(LASER)를 이용하여 결정화시키는 방법에 관한 것이다.

유리는 조미료, 식용유, 맥주, 음료수, 주류, 탄산음료, 화장품, 세정제 등의 용기재료로서 널리 사용되어 왔다.

그러나 유리용기는 가스밀폐성이 우수한 장점이 있으나, 제조원가가 비교적 높기 때문에 통상 사용후 빈 용기를 회수하여 재사용함으로써 비용을 절감한다.

그러나 유리용기는 자체중량이 무겁고 운송경비가 많이 들고, 깨지기 쉬워 취급이 불편하다는 단점이 있다.

이러한 문제점들을 극복하기 위하여, 1970년대 이후 점점 유리용기 대신에 각종 플라스틱 용기들의 사용이 증가되어 왔다.

그 플라스틱 용기류의 소재로는 저장물의 종류 및 사용목적에 따라 여러가지가 사용되고 있으나 특히 PET가 투명성, 가스투과도, 기계적 강도, 식품위생성, 내용제성 등 물성이 우수하여 청량음료, 세제, 화장품 등의 용기소재로 널리 사용되어 왔으며 특히 음료용기로는 거의 독점적인 위치를 차지하고 있다.

열가소성 폴리에스테르 수지, 그 중에서도 PET 수지는 산업이나 경제적으로 매우 중요한 물질로서 섬유, 필름, 쉬트, 성형품 등 여러가지 용도로 사용되고 있다.

PET병에는 그 용도에 따라 상압병, 내열병, 내압병, 내열압병 등이 있는데, 과일쥬스나 이온음료 등의 음료는 열살균이 필요하고, 이 경우 뜨거운 액체를 직접 병에 주입하는 고온충전(Hot filling)공정을 거치게 되는데 고온충전을 하는 음료의 용기로 사용되기 위해서는 투명성 뿐만 아니라 고온충전에 견딜 수 있는 내열성을 가져야 한다.

PET를 비롯한 폴리에스테르 수지로 성형된 프리폼을 블로우 금형내에서 연신로드에 의해 축방향으로 연신하는 동시에 가압유체를 사용하여 원주방향으로 팽창시켜 성형되는 플라스틱 병은 병의 몸통부가 이축방향으로 분자배향이 되기 때문에 투명성, 내충격성, 가스차단성, 경량성 등이 우수하다.

이와 같은 이축연신 폴리에스테르 병에서 몸통부는 이축방향으로 분자배향이 되어 있기 때문에 강성, 내충격성 등과 같은 기계적 특성이 우수하고 또한 열고정(Heat set)공정에 의해 고온에서의 촌법 안정성도 우수하지만, 뚜껑을 결합시켜 밀봉을 하는 입구부는 이와 같은 분자배향이 되어 있지 않기 때문에 강성, 강도 등의 기계적 물성이 약하고 확실한 밀봉 신뢰성을 부여하기 어렵다.

또 과일쥬스, 이온음료 등과 같이 열살균을 목적으로 고온상태에서 액체를 충전하는 고온충전 공정이나 저온의 액체를 충전한 후 용기와 함께 외부에서 가열하여 살균하는 경우에는 입구부의 촌법 안정성(Dimensional Stability)이 문제가 되어 사용이 곤란한 경우가 많다.

이러한 이유로 인하여 폴리에스테르 수지제 이축연신 병의 입구부의 기계적 성질 및 내열성을 향상시킬 목적으로 입구부를 가열처리하여 결정화시키는 방법과 내열성 향상을 위한 방법들이 다수 제안되어 왔다.

열처리에 의하여 입구부를 결정화시키는 경우 주의할 것은, 결정화에 따라 기계적 성질과 내열변형성이 향상되는 반면, 결정화에 의해 밀도가 증가하게 되고, 그 결과 체적이 감소하는 수축이 발생하게 되고, 프리폼 또는 성형시에 입구부에 발생되어 있던 병의 잔류응력이 해소됨에 따라서 입구부의 촌법이 가열에 의한 결정화 이전과 달라지게 될 뿐만 아니라 각각의 병마다 촌법이 달라지게 되기 때문에 결정화 공정에서 작업조건의 조절이 중요하다.

일본 특공소 59-33101, 일본 특공소 62-25491에는 입구부의 결정화와 관련한 기술을 제안하였다.

또 고주파를 이용한 유전가열법(일본 특공소 58-217326)이 있다.

이들 기술 뿐만 아니라 현재까지 상용화되어 널리 사용되는 입구부분의 결정화 방법은 적외선 히터를 사용하는 것이다.

적외선 히터가 설치된 오븐안에 프리폼을 투입하여 일정시간 동안 체류시켜 입구부분을 결정화시키는데 이때 프리폼의 보관상태나 두께에 따라 부위별 또는 로트별로 프리폼의 결정화 정도가 달라진다.

또한 이러한 결정화 방식으로는 국소적인 부위의 결정화는 불가능하기 때문에 입구부분 전반에 걸친 결정화밖에 할 수 없다.

본 발명은 상기한 바와 같은 기존 플라스틱 용기의 결정화 방법의 문제점들을 극복하기 위하여 결정화와 관련한 여러가지 연구를 수행한 결과 기존 상용화된 적외선 히터방식의 결정화 방법 대신에 레이저(LASER)를 조사하여 결정화시키는 방법을 제공하는데 기술적 과제를 둔 것이다.

레이저는 스펙트럼을 분광프리즘으로 조사해 보면 아주 가는 1개의 선스펙트럼이 된다.

즉, 레이저광선은 위상이 고른 단색광(單色光)이며 이런 빛을 코히어런트광 또는 코히어런트가 좋은 빛이라고 한다.

레이저광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은넓이(빛의 파장을 단위로 하여 측정할 수 있을 정도)로 빛을 모을 수 있다.

이렇게 모아진 레이저의 초점면 상에서의 단위 면적당 빛에너지는 대단히 크다.

예를 들면, 레이저광선의 순간출력이 10㎾인 루비레이저의 출력광을 렌즈로 집광하면 렌즈의 초점면에서의 빛에너지 밀도는 10¹¹W/㎠ 정도가 된다.

이것은 태양표면의 에너지 밀도가 10⁴W/㎠인 것과 비교하여 엄청나게 크다.

또 레이저광선은 나비가 좁은 선스펙트럼을 가지고 있고 사인파인 광파이므로 간섭현상이 일어나기 쉬운 성질을 가지고 있다.

간섭을 받기 쉬운 성질은 홀로그래피를 생각할 때 중요하다.

본 발명은 상기에 언급한 레이저 기술을 식음료용 폴리에스테르 수지제 이축연신 병에 적용하여 기계적 성질 및 내열성 등 물성을 향상시키는 결정화 방법이다.

도 1a는 플라스틱 병의 한 입구부분을 나타낸 종단면도.

도 1b는 플라스틱 병의 다른 입구부분을 나타낸 종단면도.

본 발명은 폴리에스테르와 같은 열가소성 결정성 수지로 된 식음료용 용기의 입구부분이나 몸체의 특정부위를 레이저를 이용하여 결정화시키는 방법에 관한 것이다.

레이저(LASER)란 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation의 약자로서 한 종류의 파장만을 가진 빛이며 위상(位相)이 고른 연속된 빛으로 보통 빛에 비하여 매우 순수하며 퍼지지 않고 곧바로 진행하는 성질이 있다.

레이저의 특징은 다음과 같다.

① 단색성이 뛰어나며,

② 위상이 고르고 간섭현상이 일어나기 쉬우며,

③ 퍼지지 않고 직진하며 집광성(集光性)이 좋고,

④ 에너지 밀도가 크다는 것이다.

현재 음료용으로 사용되는 플라스틱 용기의 입구부분은 도 1a와 같은 모양으로 고온충전(Hot filling)을 하는 내열병, 또는 내열압병은 입구부분을 결정화시켜 내열성을 부여하고 있다.

적외선 히터에 의한 가열결정화 방식은 복사에 의해 열전달이 이루어지기 때문에 표면부터 결정화되어 정해진 공정 시간동안 결정화시킬 때 입구부분의 두께에 따라 부위별로 결정화도가 다르게 되고, 두꺼운 부분은 결정화도가 원하는 정도에 미치지 못하는 경우도 발생한다.

또 적외선 히터에 의해 가열되기 때문에 비교적 넓은 범위에서 표면전체가 결정화되어 도 1b(크라운 마개용)의 (가)부위와 같은 국소적인 결정화는 불가능하다.

그러나 레이저를 이용하면 도 1b(크라운 마개용)의 (가)부위와 같은 국소적인 결정화가 가능하며 레이저의 고 에너지가 분자자체에 에너지를 공급하기 때문에 부위별 결정화도가 유사하다.

또한 상업화된 플라스틱 병의 생산공정에서 병의 특정부분에 무늬를 넣기 위해 다른 성분을 첨가하거나 안료 등을 넣으면 재활용에 문제가 있고 공정이 복잡해지고 생산성이 떨어지게 된다.

그래서 현재는 플라스틱 병 전체가 동일한 상태로 생산이 되고 있다.

그러나 본 발명에서와 같이 레이저를 이용하면 이러한 문제점을 모두 해결할 수 있다.

예를 들어 병의 몸체 부분에 레이저를 주사하여 특정부분을 결정화시킴으로써 투명한 병의 몸체에 무늬를 넣어 디자인을 변경할 수 있다.

더욱 구체적으로는 고온충전을 하는 PET 내열병, 내열압병의 입구부분의 내열성을 향상시키기 위해 결정화시 레이저를 이용하는 것이다.

특히 도 1b의 (가)부위와 같은 크라운 마개용으로 쓰이는 입구의 상단부위 같은 국소적인 부분의 결정화나 몸체부분의 특정부위를 결정화시킬 때 레이저를 이용해 원하는 만큼 효과적으로 결정화시키는 것이다.

본 발명에서 물성평가는 다음과 같은 방법으로 실시한다.

-결정화도 평가 -

밀도구배관을 이용하여 밀도를 측정한 후 하기의 계산식(1)로 결정화도를 평가한다.

밀도구배관은 ASTM 1505-85에 의해 제작하여 밀도를 측정한다.

χ_c= ρ_c(ρ_e-ρ_a)／ρ_e(ρ_c-ρ_a) ····· (1)

여기서 χ_c: 결정화도

ρ_c: 100% 결정(crystalline)일 때의 밀도

ρ_a: 100% armorphous일 때의 밀도

ρ_e: 실험시 측정한 밀도

- 국소적인 결정화 정도 평가 -

결정화에 의한 백화부위 조사는 결정화되어 투명한 부위가 백화된 길이를 측정하여 국소적인 결정화 정도를 평가하였다.

이하 본 발명을 실시예 및 비교예에서 더욱 상세히 설명하나, 이들이 본 발명을 제한하는 것은 아님을 밝혀둔다.

실시예 1

일반적으로 널리 사용되는 PET를 건조하여 허스키사의 사출기로 도 1a와 도 1b와 같은 입구모양을 갖는 프리폼 2종을 만들어 레이저를 이용해 입구부분을 결정화시켰다.

그 결과는 표 1에 나타내었다.

비교예 1

상기 프리폼을 사용하여 종래의 방법대로 적외선 히터를 이용하여 결정화를 시켰다.

그 결과는 표 1에 나타내었다.

< 표 1. 입구부분의 결정화도 평가 >

입구모양	부위별 결정화도	실시예 1	비교예 1
도 1a	입구 상단(E dia)	27.9%	22.5%
	입구 중간(A dia)	28.2%	23.4%
	지지부위 끝부분(SR End)	28.8%	27.1%
	지지부위 안쪽(SR In)	28.5%	15.4%
	육안 판단	양호	불량
도 1b	결정화 거리(상단부터의 거리)	4.1mm	8.5mm
	결정화도(결정화 상단부위)	27.3%	28.5%
	결정화도(결정화 하단부위)	26.8%	17.6
	육안판단	양호	아주 불량

실시예 2

일반적으로 널리 사용되는 PET를 건조하여 허스키사의 사출기로 도 1a와 도 1b와 같은 입구모양을 갖는 프리폼 2종을 만들어 레이저를 이용해 입구부분의 결정화를 수행하고 이 프리폼을 가지고 코포플라스트사의 LB-01로 이축연신하여 병을 만들어 몸체의 특정부위에 레이저로 결정화를 수행하였다.

그 결과 병에 무늬를 넣을 수 있었다.

비교예 2

상기 프리폼으로 이축연신하여 병을 제조하여 종래의 방법대로 적외선 히터를 이용해 병의 몸체부분의 특정부위를 결정화시킨 후 그 부분에 무늬를 넣고자 시도하였다.

그러나 몸체 전반에 걸쳐 백화가 되어 특정부위에 무늬를 넣는 것은 불가능하였다.

본 발명은 플라스틱 병의 국소적인 부위의 결정화가 가능하므로 크라운 마개용 입구부분과 같은 부위의 결정화를 수행할 수 있다.

또 본 발명은 몸체부위에도 줄무늬나 원모양의 무늬를 넣어 디자인을 할 수 있다.

또 입구부분의 두께에 따른 부위별 결정화도의 차이를 제거할 수 있어 내열성 등의 물성을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 열가소성 결정성 수지로 만들어진 식음료용 플라스틱 용기를 결정화시킴에 있어서, 결정화시킬 부위에 레이저(LASER)를 조사하여 결정화시킴을 특징으로 하는 식음료용 플라스틱 용기의 결정화 방법.