KR20060080677A - 이축 배향 폴리에스테르계 필름 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이축 배향 폴리에스테르계 필름 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 디메틸테레프탈레이트 또는 테레프탈산을 주로 포함하는 산성분과 1,3-프로판디올을 주로 포함하는 글리콜 성분으로부터 중합된 폴리에스테르계 수지로 제조되고 180 ℃에서 2초간 재가열시의 신도 저하율이 30 ％ 미만인 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름에 관한 것이다.
본 발명의 폴리에스테르계 필름은 포장용 필름의 기본 특성인 내습성, 인쇄성 및 치수 안정성 등의 가공성 뿐 아니라, 충격 강도, 내핀홀성, 형상 포장성 및 저온 성형성 등이 우수하고, 특히 제대 가공 시에 열접착 공정에 의한 물성 저하가 일어나지 않아 제대 가공용 필름으로 유용하게 사용될 수 있다.
Description
도 1은 이축 배향된 시트를 열고정 시키기 위한 텐터오븐에서의 처리 공정에 따른 필름 폭의 변화를 개략적으로 나타낸 도로서, ① 과 ②는 본 발명에 따른 공정을 나타낸 것이고, ③은 종래의 공정을 나타낸다.
도 2는 내핀홀 측정을 위한 샘플장착대를 나타낸 도로서, 1.은 샘플장착 폭 (165 mm). 2.는 샘플장착 직경 (88 mm), 3.은 왕복 운동거리 (125 mm), ①은 고정 원판, ②는 회전 왕복 원판, ③은 모터 연결 축 및 ④는 장착된 필름을 나타낸다.
본 발명은 포장용 필름으로 유용한 이축 배향 폴리에스테르계 필름 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
포장용 필름으로는 이축 배향 나이론 (ONY), 이축 배향 폴리에틸렌테레프탈레이트 (OPET) 및 이축 배향 폴리프로필렌 (OPP)가 가장 많이 사용되고 있다.
이축 배향 나이론 필름은 저온 충격 강도 및 내핀홀성 등이 우수하므로, 냉동 식품, 레토르트 파우치 및 리필용 파우치 등의 포장용 소재 필름으로서 매우 넓게 사용되고 있다. 그러나, 흡습성이 강하여 보관하기 어려울 뿐만 아니라 제법에 따라서는 두께 균일성도 좋지 않아서 인쇄성이 떨어지고 인쇄를 하는 경우에도 인쇄 핀트가 맞지 않는 등의 가공시의 어려움이 많고 가격도 비교적 비싸다는 단점을 가지고 있다.
한편, 이축 배향 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름은 인쇄성 등 가공성이 우수하고, 내열성, 치수 안정성 및 증착성 등 포장용 소재로서 우수한 특성을 많이 가지고는 있지만 내충격강도와 내핀홀성이 약하여 충격강도를 요하는 용도에는 사용이 곤란하다는 단점이 있다.
또한, 이축 배향 폴리프로필렌 필름은 가격이 저렴하고 포장용 소재로서 많은 장점을 가지고 있지만, 충격 강도가 약하기 때문에 충격 강도를 필요로 하는 용도에는 적용이 곤란하다는 단점을 가지고 있다.
폴리트리메틸렌테레프탈레이트를 주로 해서 제조되는 이축 배향 폴리에스테르계 필름의 경우, 통상의 방법으로 제조할 경우에는 필름 자체로는 우수한 특성을 가지는 필름을 만드는 것이 가능하다. 그러나, 포장용 봉투를 만드는 경우에는 제대 가공 공정 중의 열접착 공정에서 열접착 온도, 압력 및 시간을 세밀하게 조절하지 않으면 열에 의한 결정화가 진행되어 필름이 부서지기 쉬운 특성을 가지게 되므로, 열접착한 봉투의 접착면과 비접착면 사이의 경계 부분에서 쉽게 핀홀이 발생하게 되거나, 운송 등의 핸들링 시에 쉽게 파열이 일어나는 원인이 된다. 또한, 통상 적인 폴리에스테르 필름을 제막하는 방법을 사용할 경우, 치수 안정성을 얻기 위한 열고정 공정에서 필름의 파단이 쉽게 발생되어 생산성이 좋지 못하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 충격 강도, 내핀홀성, 형상 포장성 및 저온 성형성 등이 우수하여 포장용 필름으로 유용하게 사용될 수 있는 이축 배향 폴리에스테르계 필름 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 디메틸테레프탈레이트, 테레프탈산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 산성분과 1,3-프로판디올을 포함하는 글리콜 성분으로부터 중합된 폴리에스테르계 수지로 제조되고 180 ℃에서 2초간 재가열시의 신도 저하율이 30 ％ 미만인 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름을 제공한다.
이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 이축 배향 폴리에스테르계 필름은 180 ℃에서 2초간 재가열시의 신도 저하율이 30 ％ 미만, 바람직하게는 20 ％ 미만이다. 재가열 후의 신도 저하율이 30 ％ 이상인 경우에는 포장용 봉투를 만드는 제대 가공 후 열접착 부위와 비열접착 부위의 경계면에서 쉽게 핀홀이 발생하여 밀봉성이 좋지 않을 뿐만 아니라 낙하 파대 강도 저하의 원인이 되므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 이축 배향 폴리에스테르계 필름은 바람직하게, 상온에서의 반복적인 스트레스를 가한 후 핀홀 발생이 25개 이하이다. 핀홀 발생이 25개 이상인 경우에는 필름의 유연성이 저하되어 파우치 혹은 기타 포장용 소재로 사용할 경우 최종 제품의 운송 등의 취급 시에 핀홀이 발생하거나 반복적인 구겨짐에 의하여 스트레스를 받은 부위의 충격 저항력이 약해져서 제조된 포장재의 충격 강도 저하의 원인이 되므로 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에 따라 제조되는 이축 배향 폴리에스테르계 필름은 150 ℃의 공기순환 오븐 내에서 30분간 열처리할 경우, 종 및 횡방향으로의 수축율이 5 ％ 미만인 것이 바람직하다. 5 ％ 이상인 경우에는 인쇄, 라미네이션 가공 및 열접착 가공 등에서 공정 불량의 원인이 될 뿐만 아니라, 레토르트 파우치 등의 포장 용도로 사용할 경우에는 고온에서 레토르트 가공 시에 수축율로 인하여 디라미네이션 등의 문제를 일으키므로 바람직하지 않다. 종 및 횡방향으로의 수축율은 3 ％ 이하로 되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 폴리에스테르계 필름의 두께는 사실상 크게 한정지을 필요는 없으나, 용도에 따라 적절한 두께로 할 필요가 있다. 다만, 두께를 7 ㎛ 미만으로 할 경우는 생산성 저하가 일어날 뿐만 아니라, 특별히 충격 흡수 에너지를 요하는 경우에는 적당하지 않을 수 있다. 또한, 필름의 두께를 30 ㎛ 이상으로 하는 경우 적용에 특별한 문제는 없으나, 필요 이상의 두께는 생산비 증가의 원인이 되므로 바람직하지 않다. 예를 들어 일반적인 연포장용으로 사용되는 이축 배향 필름의 경우는 9 ㎛ 내지 25 ㎛ 범위의 두께를 사용하는 것이 일반적이지만, 기타 필요에 따라 두께가 두꺼운 필름이 요구되는 용도에 있어서는 사실상 30 ㎛ 이상으로 하는 것도 무방하다. 예를 들어 성형용으로 사용되는 경우 통상적인 식품 포장용으로 사용할 경우 12 내지 20 ㎛ 정도의 필름이 적용되지만, 그 외의 전기, 전자 제품의 터치 판넬 스위치 또는 성형 식판 보호용 등의 특수한 용도에서는 30 ㎛ 이상 또는 100 ㎛이상의 필름이 적용되는 것도 가능하다.
본 발명의 폴리에스테르계 필름은 방향족 디카르복실산을 주성분으로 하는 산성분과 알킬렌글리콜을 주성분으로 하는 글리콜 성분을 중축합하여 제조된 폴리에스테르 수지 시트를 종방향 및 횡방향으로 이축 연신한 후 이완시킨 다음 열고정 함으로써 제조될 수 있다.
상기 방향족 디카르복실산의 대표적인 예로서 디메틸테레프탈레이트 또는 테레프탈산을 전체 산성분 중에 85 몰％ 이상의 양으로 포함하는 것이 바람직하며, 메틸기 2개 이상의 직쇄상 지방족 2가산을 전체 산성분 중에 15 몰％ 이하의 양으로 더 포함할 수 있다.
직쇄상 지방족산은 필름의 유연성을 향상시켜 충격 강도, 내핀홀성 뿐 아니라, 성형 가공성의 특성을 보다 향상시키는 목적으로 사용되는데, 15 몰％ 초과의 양으로 포함되는 경우는 지나치게 열적 특성이 나빠지고 유리전이 온도가 지나치게 낮아지기 때문에 이축 연신 공정에서 상온에서도 쉽게 연신이 일어나게 되어 필름 의 연신성이 나빠지는 문제가 있으므로, 10 몰％ 이하의 양으로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
이러한 지방족 2가산 성분의 예로는 석신산 (succinic acid), 글루타르산 (glutaric acid), 아디프산 (adipic acid), 슈베르산 (suberic acid), 아젤라산 (axelaic acid), 세박산 (sebacic acid) 또는 이들의 에스테르 유도체 등이 있다.
또한, 전체 산성분 중에 나프탈렌디카르복실산 (NDA) 또는 이소프탈산 (IPA)와 같은 기타 방향족 디카르복실산이 10 몰％ 이하의 양으로 포함될 수 있다.
본 발명의 폴리에스테르 필름에서 폴리에스테르의 글리콜 성분으로 사용되는 알킬렌글리콜로서는 1,3-프로판디올이 바람직하며, 1,3-프로판디올 이외의 글리콜 성분으로서 하기 화학식 1 내지 3의 화합물을 40 몰％ 이하의 양으로 더 포함할 수 있다.
본 발명에서는 폴리에스테르 필름 조성에 있어서, 1,3-프로판디올은 전체 글리콜 성분 중에 60 몰％ 이상의 양으로 포함하는 것이 바람직한데, 1,3-프로판디올을 60 몰％ 미만의 양으로 사용하는 경우에는 유연성이 저하되거나 충분한 충격강도 내지는 내핀홀성을 얻을 수 없다. 1,3-프로판디올을 전체 글리콜 성분 중에 70 몰％ 이상의 양으로 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
본원 발명에서와 같이 폴리트리메틸렌테레프탈레이트를 주로 하는 폴리에스테르를 사용하여 필름을 제조할 경우에는 지나치게 빠른 결정화 속도로 인하여 연신 조건을 설정하는 것이 까다로우며, 연신 후 가공에서도 재가열하는 공정을 거칠 경우에 재차 결정화가 진행됨에 따라 필름의 물성 저하가 일어나기 쉽다. 따라서, 상기 화학식 1 내지 3의 글리콜 성분을 적당량 함유시켜 유연성을 해치지 않는 범위 내에서 결정화 속도를 제어하는 것이 가능하다. 상기 화학식 1 내지 3의 글리콜 성분을 40 몰％ 초과의 양으로 포함하는 경우에는 지나치게 결정화 속도가 느려져 제막 공정성이 불량해지고 치수 안정성을 저해할 뿐만 아니라 내열성이 저하되어 바람직하지 않으므로 더욱 바람직하게는 30 몰％ 이하의 양으로 사용하는 것이 좋다.
또한, 1,3-프로판디올 이외의 글리콜 성분으로서, 메틸기가 4개 이상인 직쇄상 글리콜 성분, 예를 들면, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올 또는 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 등을 추가로 포함할 수도 있다. 그러나, 상기의 메틸기가 4개 이상인 직쇄상 글리콜 성분은 전체 글리콜 성분 중에 40 몰％ 초과의 양으로 포함될 경우에는 유연성 등의 향상은 있지만 녹는점 혹은 유리전이 온도와 같은 필름의 열적 특성이 지나치게 저하되기 때문에 필름을 제막하는데 있어서도 어려움이 있을 뿐만 아니라 제막한 필름의 내열성이 부족하게 되어 레토르트 식품과 같은 고온에서의 가공을 요하는 용도로 적용될 경우에는 바람직하지 않으므로, 40 몰％ 이하, 더욱 바람직하게는 30 몰％ 이하로 사용하는 것이 좋다.
또한, 1,3-프로판디올 이외의 글리콜 성분으로서, 메틸기가 2개인 에틸렌 글리콜을 추가로 포함할 수 있다. 에틸렌 글리콜을 필름 중에 40 몰％ 초과의 양으로 포함할 경우에는 필름의 연신성 또는 내열성의 향상에는 도움을 주지만, 목표로 하는 특성인 충격 강도 또는 유연성 측면에서는 좋지 않으므로, 40 몰％ 이하, 더욱 바람직하게는 30 몰％ 이하로 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기의 메틸기가 4개 이상인 직쇄상 글리콜 성분과 에틸렌 글리콜의 총합은 전체 글리콜 성분의 40 몰％ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 필름의 특성을 저해하지 않는 한도 내에서 글리콜 성분으로 디에틸렌글리콜 (DEG), 트리에틸렌글리콜 (TEG) 또는 1,4-사이클로헥산디메탄올 (1,4-CHDM) 등을 10 몰％ 이하의 양으로 사용할 수도 있다.
본 발명의 폴리에스테르계 필름의 조성은 각각의 단량체 성분을 공중합한 단 일 폴리머를 적용하여도 좋고, 각각의 조성을 함유하도록 여러 가지의 폴리머를 혼합 (블렌딩)하여도 좋다.
아울러, 본 발명의 필름 조성물에는 필름을 연신 열고정 후 권취성 또는 후 가공성을 고려하여, 특별히 한정되지는 않으나, 주행성 향상제 (활제)로서 무기입자를 포함하는 것도 좋다. 예를 들어 0.1 내지 10.0 ㎛의 평균 입경을 가지는 실리카겔, 탄산칼슘 또는 알루미나 입자를 제조하려는 필름의 광학적 특성을 고려하여 적당량 포함하는 것이 좋다. 즉, 투명성이 뛰어난 필름을 제조하고자 할 경우에는 작은 입경과 큰 입경을 가지는 무기입자를 적당한 비율로 혼합하여 전체 폴리머 중량 대비 0.04 내지 0.07 중량％의 범위로 포함하면 투명성이 우수하고 동시에 만족스러운 슬립성을 가지는 필름을 얻을 수 있으며, 또한 평균 입경이 5 ㎛ 이상인 무기입자를 0.5 중량％ 이상으로 포함할 경우 저광택의 필름을 얻는 것이 가능하다. 다만, 무기입자의 필름 내에 분산성이 나빠지는 경우에는 본 발명에서 요구하는 충격 강도 또는 내핀홀성을 저하시킬 우려가 있기 때문에 무기입자의 분산성을 충분히 고려하여 함유시켜야 한다.
본 발명에 따른 폴리에스테르 수지를 용융 압출, 급냉 및 고화하여 얻은 미연신 시트를 필름으로 연신하는 공정은 축차 이축 또는 동시 이축 연신법 중 어느 것을 사용하여도 좋으나, 종 및 횡방향 연신 후 치수 안정성을 부여하기 위하여 열고정을 하는 방법에 있어서 연신 직후에 이완을 주고 나서 열고정 및 냉각을 실시하는 것이 중요하다. 상기 냉각 과정에서 이완을 동시에 실시하여도 좋다.
통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 이를 주성분으로 해서 제조되는 필름 을 제막하는 경우에는 종 및 횡방향으로 연신 직후에 열고정을 하고 이완을 하면서 냉각하는 방법을 사용한다. 그러나, 본원 발명에서와 같이 폴리트리메틸렌테레프탈레이트를 주로 해서 제조되는 폴리에스테르 조성물을 상기의 방법으로 제막하는 경우, 필름의 치수 안정성을 충분히 낮추기 어렵고, 또한 생산성이 좋지 않은 문제가 있다. 폴리트리메틸렌테레프탈레이트를 주성분으로 해서 폴리에스테르계 필름을 연신하는 경우에는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 주성분으로 하는 경우보다 훨씬 큰 수축 응력이 잔류하게 되고, 이렇게 큰 수축 응력을 가진 이축 배향 필름이 우수한 치수 안정성을 갖게 하기 위해서는 충분히 높은 온도에서 열고정 해야하는데, 이 경우 열고정 공정에서 필름의 파단이 자주 발생하여 생산성이 저하된다.
따라서, 본 발명에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 종 및 횡방향 연신 후에 적당한 온도에서 이완을 부여함으로써 연신에 의하여 생긴 큰 수축 응력을 충분히 완화한 후 열고정하여, 필름의 파단성을 개선하면서도 필름의 두께 편차 및 물성을 더욱 개선시킬 수 있다.
상기와 같은 제막 공정에 있어서, 각 공정 조건은 특별히 한정지을 필요는 없지만, 필름을 만드는 원료의 조성에 따라 연신 배율, 연신 온도, 이완 온도, 이완율, 열고정 온도, 냉각 온도 또는 냉각시의 이완율을 적절히 조절할 필요가 있다.
예를들어 연신 온도는 통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트의 연신 온도를 결정하는 방법과 마찬가지로 임계 온도 (Tg)와 임계 온도 (Tc) 사이의 온도로 하는 것이 바람직하며, 연신 배율의 경우도 각 용융 압출 및 급냉하여 제조된 무연신 시트의 스트레인-스트레스 (S-S) 커브에서 스트레스 하드닝과 필름의 물성을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 본 발명의 폴리에스테르계 필름의 연신비는 종방향으로 2.5 내지 3.5배 및 횡방향으로 3.4 내지 3.9 배인 것이 바람직하다.
연신 후 이완 조건, 즉 이완 온도 및 이완율은 미연신 시트가 최대 결정화 속도를 갖는 온도 및 종 및 횡방향으로 연신한 필름의 수축율 및 다음 공정인 열고정 온도와 관련된다. 예를 들어 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 80 중량％ 이상으로 된 폴리에스테르 수지의 경우, 약 140 ℃ 내지는 180 ℃의 온도 범위에서 가장 이완이 잘 이루어지며, 이때의 이완율은 7 ％ 이상 14 ％ 이내가 바람직하다.
이완 후에는 충분한 치수 안정성을 부여하기 위하여 적당한 온도에서 열고정이 필요하다. 예를들어 열고정 온도는 시차주사열량계 (DSC, differential scanning calorimetry) 승온 커브에 있어서 용융이 시작되는 온도를 중심으로 약 -20 ℃ 내지 +10 ℃의 범위에서 실시하는 것이 필요하다. 본 발명의 폴리에스테르계 필름은 180 내지 220 ℃의 온도에서 열고정하는 것이 바람직하다.
또한, 열고정 후에는 필요에 따라 재차 이완을 주거나 이완 없이 냉각을 할 수 있다. 냉각시 이완 여부는 연신 직후 이완 공정에서 얻은 각 방향으로의 물성 결과에 따라 결정할 필요가 있다. 예를 들어 연신 직후에 지나치게 높은 이완율은 최종 필름의 종방향으로의 물성이 지나치게 나빠지게 할 우려가 있는데, 이 경우에는 연신 직후 1차 이완율을 다소 낮게 하고, 열고정 후 냉각 존에서 재차 이완을 줌으로써 종방향의 물성 저하를 최소화할 수 있다. 2차 이완 역시 140 내지 180 ℃ 의 온도에서 7 내지 14 ％의 이완율로 적절히 실시하면 된다.
이어서 필름을 유리전이 온도인 50 ℃ 이하로 냉각시키는 공정이 필요하며 필름이 연신기 출구를 나와 클립에서 이탈되기 전에 충분한 냉각이 되지 않을 경우 최종 필름의 평활도가 나쁘게 된다.
이상과 같이 제조된 본 발명의 이축 연신 폴리에스테르계 필름은 기계적 특성, 치수 안정성, 인쇄 등의 가공성 뿐만 아니라 유연성, 내핀홀성, 내충격성, 형상 포장성, 성형 가공성 등이 우수하여 데코레이션 풍선, 비교적 깊지 않은 성형 가공을 요구하는 식품 포장 용도 또는 전자제품 등의 멤브레인 터치판넬 등의 기재 필름으로 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 기재 필름 위에 각종 폴리에틸렌 수지층, 캐스팅 폴리프로필렌층, 이축 배향 폴리에틸렌테레프탈레이트층, 알미늄 호일 또는 증착층, SiOx 투명증착층, 이축 배향 폴리아미드 필름층, 캐스팅 폴리아미드 필름층 및 PVDC층 중에서 선택된 하나 이상의 층을 적층하여 2층 이상으로 이루어지는 포장재를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
본 발명의 제조예에서는 폴리에틸렌테레프탈레이트 축중합용 반응기로서 약 200 rpm으로 교반이 가능하고 반응 유출물 중 1,3-프로판디올과 물을 분리하기 위한 충진 분리탑이 설치된 에스테르화 (esterfication) 반응기, 및 10 내지 50 rpm 으로 교반이 가능한 인버터 형식의 교반기와 유출물을 응축하기 위한 응축기, 그리고 진공 펌프가 부착된 중합 반응기를 따로 가지는 반응기를 이용하였다.
또한, 본 발명의 제조예에서 중합된 폴리머들의 물성은 다음과 같이 측정되었다.
(1) 극한 점도
오르소클로로페놀 (OCP) 용액에 녹인 후 30 ℃의 온도에서 통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)의 극한 점도 측정 방법을 이용하여 측정하였다.
(2) 조성 분석
일본 제올 (Jeol)사의 JSM-LA300 타입 1H-NMR을 이용하여 폴리머를 용제 (중수소로 치환된 클로로포름과 트리플루오로아세트산의 4 대 1의 혼합 용액)에 녹인 후, 측정하여 얻어진 각 특성 피크의 면적비를 이용하여 몰％로 계산하여 얻었다.
각 성분의 조성은 이론치 보다는 다소 차이가 있었으나, 이것은 설비 특성상 폴리머들을 혼합할 때 혼합비에 있어서 다소의 오차에 기인하는 것으로 인정하였다.
제조예 1: 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트 (PTT, 폴리머 A)의 중합
산성분으로서 테레프탈산 (TPA) 100 몰부에 대하여 글리콜 성분인 1,3-프로판디올 130 몰부를 에스테르화 반응기에 투입하고, 촉매로서 트리부틸렌티타네이트 (TBT)를 테레프탈산 대비 0.07 중량％의 양으로 첨가한 후, 약 1.3 ㎏/㎠로 가압하여 260 ℃까지 승온하고 약 4시간 동안 발생하는 물을 제거하면서 에스테르화 반응을 완료하였다.
안정제로서 트리메틸포스페이트 (TMP)를 테레프탈산 대비 0.06 중량％의 양으로 첨가하고, 슬립제로서 평균 입경이 2.5 ㎛인 실리카 입자를 테레프탈산 대비 0.07 중량％의 양으로 첨가하여 약 5분 동안 교반을 계속한 후 에스테르화 반응물을 중합 반응기로 이송하였다.
중합 반응기에서는 서서히 진공을 걸고 265 ℃까지 승온하면서 교반기 모터에 일정한 전력치가 도달하면 중합 반응을 멈추고 폴리머를 펠렛으로 얻었다.
폴리트리메틸렌테레프탈레이트 펠렛의 극한 점도는 0.86이었다.
제조예 2: 아디프산 (AA) 공중합체 (폴리머 B)의 중합
산성분으로서 테레프탈산 (TPA) 70 몰부와 아디프산 (AA) 30 몰부를 합하여 총합계 100 몰부에 대하여 글리콜 성분인 1,3-프로판디올 130몰부를 에스테르화 반응기에 투입하고, 촉매로서 트리부틸렌티타네이트 (TBT)를 테레프탈산 대비 0.07 중량％의 양으로 첨가한 후 약 1.2 ㎏/㎠로 가압하고 260 ℃까지 승온하여 약 4시간 동안 발생하는 물을 제거하면서 에스테르화 반응을 완료하였다.
안정제로서 트리메틸포스페이트 (TMP)를 테레프탈산 대비 0.06 중량％의 양으로 첨가하고, 슬립제로서 평균 입경이 2.5 ㎛인 실리카 입자를 테레프탈산 대비 0.07 중량％의 양으로 첨가하여 약 5분 동안 교반을 계속한 후, 에스테르화 반응물 을 중합 반응기로 이송하였다.
중합 반응기에서는 서서히 진공을 걸고 250 ℃를 유지하면서 교반기 모터에 일정한 전력치가 도달하면 중합 반응을 멈추고 폴리머를 펠렛으로 얻었다.
폴리트리메틸렌 테레프탈레이트 펠렛의 극한 점도는 0.72였고, 핵자기 공명법 (NMR)으로 조성 분석을 실시한 결과 전체 산성분 100 몰％에 대하여 아디프산의 함량은 28.1 몰％이었다.
제조예 3: 2-메틸-1,3-프로판디올 (MPD) 공중합체 (폴리머 C)의 중합
글리콜 성분으로 1,3-프로판디올 80 몰부와 2-메틸-1,3-프로판디올 50 몰부를 합하여 총합계 130 몰부를 사용하는 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법으로 수행하여 폴리머를 펠렛으로 얻었다.
펠렛의 극한 점도는 0.84이고, NMR로 조성 성분을 실시한 결과 전체 산성분 100 몰％에 대하여 2-메틸-1,3-프로판디올의 함량은 46.3 몰％이었다. 상기 펠렛은 통상적인 건조 방식을 사용할 경우, 건조기 내에서 융착이 일어나기 때문에 건조 및 압출하기 전에 미리 끓는 물을 이용하여 예비 결정화를 실시하였다.
제조예 4: 2-디메틸-1,3-프로판디올 (NPG) 공중합체 (폴리머 D)의 중합
2-메틸-1,3-프로판디올 대신에 2-디메틸-1,3-프로판디올 (네오펜틸글리콜, NPG)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 3과 동일한 방법으로 수행하여 폴리머를 펠렛으로 얻었다.
폴리머의 극한 점도는 0.76이었고, NMR로 조성 분석을 실시한 결과 전체 산성분 100 몰％에 대하여 2-디메틸-1,3-프로판디올의 함량은 17.1 몰％이었다.
제조예 5: 1,2-프로판디올 (PG) 공중합체 (폴리머 E)의 중합
2-메틸-1,3-프로판디올 대신에 1,2-프로판디올 (프로필렌글리콜, PG)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 3과 동일한 방법으로 수행하여 폴리머를 펠렛으로 얻었다.
폴리머의 극한 점도는 0.81이었고, NMR로 조성 분석을 실시한 결과 전체 산성분 100 몰％에 대하여 1,2-프로판디올의 함량은 27.8 몰％이었다.
제조예 6: 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT, 폴리머 F)의 중합
폴리부틸렌테레프탈레이트는 LG 화학제 LUPOX HV-1010 그레이드를 그대로 사용하였다.
제조예 7: 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET, 폴리머 G)의 중합
산성분으로 테레프탈산 100 몰부에 대하여 글리콜 성분인 에틸렌글리톨 130 몰부를 에스테르화 반응기에 투입한 후, 260 ℃로 승온하면서 1.2 ㎏/㎠의 압력 하에서 4시간 반응하여 에스테르화 반응을 완료하였다.
중합 촉매로서 안티모니 트리옥사이드를 테레프탈산 대비 450 ppm을 투입하고, 이어서 안정제로 트리메틸렌포스페이트 (TMP)를 테레프탈산 대비 400 ppm을 투 입하였다. 또한, 슬립제로서 평균 입경이 2.5 ㎛인 실리카 입자를 테레프탈산 대비 0.07 중량％의 양으로 첨가한 후, 5분간 교반하고 반응기로 보내어 서서히 진공을 걸면서 반응을 시작하고 289 ℃에서 3시간 20분 동안 반응시켜 극한 점도가 0.64인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 얻었다.
시험예
상기 제조예의 폴리머들을 이용하여 하기 실시예 및 비교예에서와 같이 필름으로 제막하였으며, 제막된 필름의 특성은 다음과 같이 측정하였다. 단, 필름의 평활도가 좋지 않거나 혹은 파단성으로 인하여 제막성이 열악한 경우는 물성 평가를 실시하지 않았다.
(1) 신도 저하율
제조된 필름을 일본 테스터 산교 (Tester Sangyo Co.)사의 열접착 시험기 (모델명 TP701S)를 이용하여 가열 온도 180 ℃, 압력 0.2 M㎩, 및 유지 시간을 2초로 하여 가열한 후, ASTM D882의 규정에 따라 상온 하에서 인스트론 (INSTRON)사의 만능 시험기 (UTM, 모델명 4206-001)을 이용하여 200 ㎜/분의 속도로 신장하면서 신도를 측정하여 하기 계산식을 이용하여 신도 저하율을 구하였다. 동일한 방법으로 5회 측정하여 평균값을 취하였다.
시험 방법상 5 ％ 미만의 신도 저하율은 측정 오차 범위 내에 있다고 인정됨에 따라 5 ％ 미만의 신도 저하가 측정되는 경우에는 신도 저하가 없는 것으로 인 정하였다.
상기 식에서, EO는 가열하기 전 샘플의 신도 (％)이고, EF는 180 ℃, 0.2 MPa에서 2초간 가열 후 샘플의 신도이다.
(2) 내핀홀성
도 2에 도시한 바와 같은 미국 겔보 (Gelbo)사의 겔보 플렉스 (Gelbo Flex)를 이용하여, 필름을 상온에서 450 도의 회전 각도로 회전 및 왕복을 2,700회 (약 60분) 시켰다. 필름을 백지 위에 편평하게 깔고 필름 위에 닥터 블레이드를 이용하여 통상의 용제성 니트로글리세린 (NC)계 잉크를 도포한 후, 필름을 제거하였을 때 백지에 나타나는 잉크 점을 세어 그 샘플의 핀홀 개수로 하였고, 이러한 측정을 시료 당 3회 반복하여 얻은 평균값을 핀홀 개수로 하였다.
(3) 제막성
연신 필름의 파단성 및 평활도에 따라 다음과 같이 평가하였다.
○ (양호): 파단이 없고, 최종 필름에 연신 무리가 없고 평활도가 우수 한 경우.
△ (비교적 양호): 파단성은 없으나, 최종 필름에 연신 무리가 있는 경 우.
× (불량): 필름의 파단으로 인하여 장시간 생산이 곤란한 경우.
(4) 열수축율
샘플을 측정하려는 방향으로 길이 200 ㎜, 폭 15 ㎜로 하여 150 ℃로 유지되는 공기 순환 오븐 내에서 30분간 유지시킨 후, 필름의 길이를 측정하여 아래의 계산식을 이용하여 종 및 횡방향의 수축율을 계산하였다.
(5) 충격 흡수 에너지
ASTM D3420의 규정에 따라 측정하였으며, 장치는 토요세이키 (Toyoseiki)사의 필름 충격 시험기 (Film Impact Tester)를 사용하였다. 진자 팁 (Pendulum Tip)은 1인치의 직경을 가지는 반구형을 사용하였으며, 시료 필름은 직경이 약 50 ㎜의 원형 구멍을 가지는 샘플대에 장착하였다. 각 시료마다 10 번씩 측정하여 그 평균값을 취하고 단위 충격 흡수 에너지 (kgf-㎝)로 취하였다.
(6) 낙하 파대성 평가
실시예 또는 비교예와 같은 방법으로 제조한 필름 외면에 12 ± 0.5 ㎛ 두께인 통상의 포장용 PET 필름과 9 ± 1 ㎛ 두께의 통상적으로 포장재 합지용으로 사용되는 알루미늄 층을 합지한 후, 내면에는 약 100 ㎛의 두께로 캐스팅 폴리프로필렌 (casting polypropylene, CPP)을 라미네이팅 (laminating)하여 내용물 충전 후에 자립이 가능하도록 밑지를 포함하는 1,300 ㎖ 용량의 파우치 (pouch)를 제작하였다. 제작된 파우치에 1,000 ㎖의 물을 담고 입구를 열로 실링 (heat sealing)한 후, 5 ℃의 냉장실에 2일간 보관 후에 두께가 약 5 ㎜인 통상의 골판지로 만들어진 상자에 샘플 당 10개씩 담아 약 2 m의 높이에서 에폭시가 칠해진 콘크리트 바닥으로 10회씩 자유 낙하 시켰을 때 파우치의 파열 여부에 따라 다음과 같이 평가하였다.
○ (양호): 4개 미만이 파열된 경우.
△ (비교적 양호): 4개 이상 7개 미만이 파열된 경우.
× (불량): 7개 이상이 파열된 경우.
실시예 1
상기 제조예 1에서 중합된 폴리머 A를 160 ℃에서 약 3시간 건조 후 250 ℃로 용융시키고 티-다이 (T-die)를 통하여 압출하여 약 20 ℃로 유지되는 냉각 롤 위에서 무정형 시트를 제조하였다. 이 무정형 시트를 약 55 ℃로 유지되는 롤간 주속 차이를 이용하여 일차로 종방향으로 2.8 배 연신하고 이어서 횡연신 장치 (텐터오븐) 내에서 60 ℃에서 횡방향으로 3.6 배 연신하였다. 연신 후 150 ℃에서 7 ％ 이완을 주고, 이어서 190 ℃에서 열고정하고, 140 ℃ 및 40 ℃에서 차례로 냉각하여 약 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ①). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
실시예 2
이완율을 9 ％로 하고, 열고정 온도를 200 ℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여, 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다. 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 1
횡연신까지는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하고, 이어서 통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트계 필름을 연신하는 방법과 마찬가지로 200 ℃에서 열고정을 먼저 실시한 후, 150 ℃에서 7 ％ 이완하면서 1차 냉각하고 40 ℃에서 최종 냉각하는 공정을 적용하여 두께 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ③). 그러나, 이 방법에 의한 공정에서는 열고정시에 필름의 잦은 파단이 발생하였다.
실시예 3
제조예 1의 폴리머 A와 제조예 2의 폴리머 B를 각각 50 중량부씩 혼합하여 실시예 1과 동일한 방법으로 무정형 시트를 얻었다. 이 시트를 50 ℃로 유지되는 롤간 주속차에 의하여 종방향으로 2.8 배 연신 후 55 ℃에서 횡방향으로 3.5 배 연 신하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이완 및 열고정을 실시하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다. 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
실시예 4
제조예 1의 폴리머 A와 제조예 3의 폴리머 C 각각 50 중량부씩 혼합하여 실시예 1과 동일한 방법으로 무정형 시트를 얻었다. 이 시트를 60 ℃로 유지되는 롤간 주속차에 의하여 종방향으로 3.0 배 연신 후 65 ℃에서 3.6 배 연신하였다. 이어서 150 ℃에서 7 ％의 이완을 주고, 190 ℃에서 열고정하고, 140 ℃에서 재차 2 ％의 이완을 주어 냉각 시키고 최종적으로 40 ℃에서 냉각시켜 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ②). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
실시예 5
제조예 1의 폴리머 A와 제조예 4의 폴리머 D를 각각 50 중량부씩 혼합하여 실시예 1과 동일한 방법으로 연신, 이완, 열고정, 및 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다. 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
실시예 6
제조예 1의 폴리머 A와 제조예 5의 폴리머 E를 각각 50 중량부씩 혼합하여 실시예 1과 동일한 방법으로 용융 압출하여 미연신 무정형 시트를 얻었다. 이것을 55 ㎛에서 롤간 주속차를 이용하여 종방향으로 3.3 배 연신하고 65 ℃에서 3.8 배 연신하였다. 이어서 170 ℃에서 9 ％ 이완을 주고 195 ℃에서 열고정 및 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ②). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 2
제조예 1의 폴리머 A와 제조예 6의 폴리머 F를 각각 50 중량부씩 혼합하여 160 ℃에서 약 3시간 동안 진공 건조한 후, 250 ℃에서 용융 압출하여 20 ℃의 냉각롤에서 무정형 시트를 얻었다. 이것을 55 ℃에서 롤간 주속차를 이용하여 종방향으로 3.2 배 연신 후 횡방향으로 60 ℃에서 3.6 배 연신하였다. 이어서 180 ℃에서 열고정하고, 140 ℃에서 5 ％의 이완을 주고 마지막으로 40 ℃에서 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ③). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 3
열고정 온도를 200 ℃로 한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 수행하여, 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻을 수 있었으나, 실질적으로 열고정 공정에서의 잦은 파단으로 인하여 롤상으로 필름을 얻는 것은 곤란하였다.
비교예 4
제조예 1의 폴리머 A 와 제조예 7의 폴리머 G를 각각 50 중량부씩 혼합하여 160 ℃에서 약 3시간 동안 진공 건조한 후, 265 ℃에서 용융 압출하여 20 ℃의 냉각롤에서 무정형 시트를 얻었다. 이것을 75 ℃에서 롤간 주속차를 이용하여 종방향으로 3.2 배 연신 후 횡방향으로 80 ℃에서 3.8 배 연신하였다. 이어서 185 ℃에서 열고정하고, 170 ℃에서 6 ％의 이완을 주고 마지막으로 40 ℃에서 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ③). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 5
제조예 1의 폴리머 A 40 중량부와 제조예 2의 폴리머 B 60 중량부를 혼합하여 160 ℃에서 약 3시간 동안 진공 건조한 후, 245 ℃에서 용융 압출하여 20 ℃의 냉각롤에서 무정형 시트를 얻었다. 이것을 50 ℃에서 롤간 주속차를 이용하여 종방향으로 3.2 배 연신 후 횡방향으로 55 ℃에서 3.3 배 연신하였다. 이어서 190 ℃에서 열고정하고, 140 ℃에서 5 ％의 이완을 주고 마지막으로 40 ℃에서 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ③). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 6
제조예 3의 폴리머 C 80 중량부와 제조예 5의 폴리머 E 20 중량부를 혼합하여 160 ℃에서 약 3시간 동안 진공 건조한 후, 245 ℃에서 용융 압출하여 20 ℃의 냉각롤에서 무정형 시트를 얻었다. 이것을 50 ℃에서 롤간 주속차를 이용하여 종방 향으로 3.2 배 연신 후 횡방향으로 55 ℃에서 3.6 배 연신하였다. 이어서 180 ℃에서 열고정하고, 140 ℃에서 5 ％의 이완을 주고 마지막으로 40 ℃에서 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ③). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 7
비교예 5에 의한 방법은 치수 안정성이 충분하지 않기 때문에 열고정 온도를 200 ℃로 올린 것을 제외하고는 비교예 5와 동일한 방법으로 실시하여 15 ㎛의 필름을 얻었으나, 열고정 공정에서의 파단으로 인하여 필름을 롤상으로 얻을 수 없었다.
실시예 7
제조예 1의 폴리머 A 60 중량부와 제조예 3의 폴리머 B 40 중량부를 혼합하여 160 ℃에서 약 3시간 동안 진공 건조한 후, 245 ℃에서 용융 압출하여 20 ℃의 냉각롤에서 무정형 시트를 얻었다. 이것을 50 ℃에서 롤간 주속차를 이용하여 종방향으로 2.6 배 연신 후 횡방향으로 55 ℃에서 3.6 배 연신하였다. 이어서 150 ℃에서 7 ％의 이완을 한 다음 205 ℃에서 열고정하고 다시 140 ℃에서 3 ％ 이완을 하였다. 마지막으로 40 ℃에서 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ②). 하기 표 1에 특성 평가 결과를 나타내었다.
비교예 8
실시예 7과 동일한 방법으로 종 및 횡연신을 실시한 후, 205 ℃에서 열고정하고, 150 ℃에서 6 ％ 이완을 하였다. 마지막으로 40 ℃에서 냉각하여 15 ㎛의 이축 배향 필름을 얻었다 (도 1의 ③). 그러나, 열고정 공정에서의 잦은 파단에 기인하여 롤상으로 필름을 얻는 것은 곤란하였다.
상기 실시예 및 비교예에서의 필름 제조 공정 및 물성 평가 결과를 각각 하기 표 1 및 표 2에 정리하여 나타내었다.
주) 폴리머 A: 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트 (PTT)
폴리머 B: 아디프산 (AA) 공중합체
폴리머 C: 2-메틸-1,3-프로판디올 (MPD) 공중합체
폴리머 D: 2-디메틸-1,3-프로판디올 (NPG) 공중합체
폴리머 E: 1,2-프로판디올 (PG) 공중합체
폴리머 F: 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT)
폴리머 G: 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)
상기 표 2로부터, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 7의 폴리에스테르 필름은 비교예 1 내지 8의 폴리에스테르 필름보다 충격흡수 에너지, 내핀홀성 및 낙하 파대성이 우수하고 열수축율 및 신도 저하율이 작음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 이축 연신 폴리에스테르계 필름은 내습성, 인쇄성 및 치수 안정성 등의 가공성 뿐 아니라, 충격 강도, 내핀홀성, 형상 포장성 및 저온 성형성 등이 우수하여 데코레이션 풍선, 비교적 깊지 않은 성형 가공을 요구하는 식품 포장 용도 또는 전자제품 등의 멤브레인 터치판넬 등의 기재 필름으로 사용될 수 있으며, 특히 제대 가공 시에 열접착 공정에 의한 물성 저하가 일어나지 않아 제대 가공용 필름으로 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (13)
- 디메틸테레프탈레이트, 테레프탈산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 산성분과 1,3-프로판디올을 포함하는 글리콜 성분으로부터 중합된 폴리에스테르계 수지로 제조되고 180 ℃에서 2초간 재가열시의 신도 저하율이 30 ％ 미만인 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 1 항에 있어서,전체 산성분 중에 메틸기 2개 이상의 직쇄상 지방족 2가산이 15 몰％ 이하의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 2 항에 있어서,지방족 2가산이 석신산 (succinic acid), 글루타르산 (glutaric acid), 아디프산 (adipic acid), 슈베르산 (suberic acid), 아젤라산 (axelaic acid), 세박산 (sebacic acid) 또는 이의 에스테르 임을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 1 항에 있어서,전체 글리콜 성분 중에 1,3-프로판 디올이 60 몰％ 이상 포함되는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 4 항에 있어서,전체 글리콜 성분 중에 2-메틸-1,3-프로판디올, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올 (네오펜틸글리콜), 및 1,2-프로판디올 (프로필렌글리콜) 중에서 선택된 1종 이상의 글리콜 성분이 40 몰％ 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 4 항에 있어서,전체 글리콜 성분 중에 메틸기 4개 이상의 직쇄상 글리콜 성분이 40 몰％ 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 4 항에 있어서,전체 글리콜 성분 중에 에틸렌 글리콜 성분이 40 몰％ 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 4 항에 있어서,전체 글리콜 성분 중에 메틸기가 4개 이상인 직쇄상 글리콜 성분과 에틸렌 글리콜의 총합이 40 몰％ 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- 제 1 항에 있어서,핀홀 발생이 25개 이하이고, 150 ℃의 공기 순환 오븐 내에서 30분간 열고정할 경우의 종방향 및 횡방향 수축율이 각각 5 ％ 미만인 것을 특징으로 하는 이축 배향 폴리에스테르계 필름.
- a) 산성분으로는 디메틸테레프탈레이트 또는 테레프탈산을 주로 하고 글리콜 성분으로는 1,3-프로판디올을 주로 해서 중합된 폴리에스테르 수지를 용융압출 및 급냉 고화하여 미연신 시트를 얻는 단계;b) 상기 시트를 종방향 및 횡방향으로 연신 후 이완한 다음 열고정하여 연신된 필름을 얻는 단계;c) 연신된 필름을 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,단계 b)에서 이완 공정이 140 내지 180 ℃의 온도에서 7 내지 14 ％의 이완율로 수행됨을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,단계 c)에서 냉각하기 전에 2차 이완 공정을 실시하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 이축 배향 폴리에스테르계 필름의 제조 방법.
- 제1 내지 9항 중 어느 한 항에 따른 폴리에스테르계 필름을 기재층으로 하고, 그 위에 추가의 고분자 또는 금속층을 포함하는 포장재.
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