KR20080038153A - 금속 표면에 비접착 특성을 부여하는 방법 - Google Patents

금속 표면에 비접착 특성을 부여하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 고안은 알루미늄 박판의 표면에 비접착 코팅을 부여하는 방법, 이에 의해 얻어지는 호일 시트에 관한 것으로서, 상기 방법은 실질적인 무용매 실리콘 오일로 코팅된 표면 영역에 1.5 내지 10 mg/ft2 범위의 평균 코팅 도포율로 금속 시트 제품(바람직하게는, 알루미늄 호일 시트)의 표면 영역의 적어도 일부(바람직하게는, 40% 이상)를 코팅하며, 그 후 코팅된 시트 제품은 권선되며, 그 후 적어도 10분 동안 250℃의 온도에서 공기 또는 산소 존재하에서 가열되며, 처리된 표면은 비접착 및 식품 친화성 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 표면에 비접착 특성을 부여하는 방법{METHOD OF IMPARTING NON-STICK PROPERTY TO METAL SURFACE}
본 발명은 금속 표면, 특히 금속 호일 또는 시트의 표면에 비접착 특성을 부여하는 방법 및 이에 의해 얻어지는 비접착 제품에 관한 것이다. 특히, 반드시 한정되는 것은 아니지만 본 발명은 알루미늄 및 알루미늄합금으로 제조된 호일 및 시트에 비접착 특성을 부여하는 방법에 관한 것이다.
알루미늄 호일 또는 시트는 포장 및 조제식료품 용도로 폭넓게 사용되고 있다. 비접착 특성(non-stick property)은 상기 용도를 위해 매우 바람직하며, 이러한 특성을 갖는 호일 또는 시트는 상업적으로 이용가능하다. 예를 들면, 이 형태의 호일은 알코아 코퍼레이션의 상표 "Release"로 판매되고 있으며, 이 호일은 실록산과 용매를 함유하는 열경화성 중합체의 현탁액(suspension)으로 경금속 호일을 코팅하고, 그 후 용매를 완전하게 제거하도록 오븐내에서 충분한 온도로 상기 중합체를 부분적으로 경화시킨다. 중합체가 고화되기 시작하면, 이에 의해 중합체내의 실록산을 트랩한다(2002년 7월 23일에 발행된 로빈의 미국특허 제6,423,417호 참조). 그 후, 부분적으로 경화된 코팅된 호일은 어닐링되어 호일을 연화시키고, 중합체를 완전하게 경화시키고, "데드-폴드(dead-fold)" 특성(스프링-백 없이 접히는 능력)을 얻는다. 이 방법은 중합체를 부분적으로 경화시킬 필요성에 의해 코팅을 저속으로만 적용해야 하기 때문에 고비용이다. 더욱이, 2회의 열처리가 요구되며, 초기 코팅에 사용된 현탁액은 고가이다.
1961년 4월 4일에 발행된 포스트의 미국특허 제2,978,098호는 알루미늄 호일에 실리콘 오일을 도포하는 방법을 개시한다. 코일 형태의 호일은 휘발성 용매내의 오일 용액에 침지되며, 그 후 용액으로부터 제거되어 건조된다.
알루미늄 호일에 비접착 표면을 부여하는 개선된 방법, 예를 들면 더욱 경제적이며 제조가 쉬운 방법을 필요로 한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 금속 시트(바람직하게는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 호일)의 표면에 비접착 특성을 부여하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 코팅된 표면 영역에 1.5 내지 10 mg/ft2(바람직하게는, 2 내지 6 mg/ft2 미만) 범위의 코팅 도포율로 실리콘 오일(바람직하게는, 실질적으로 무용매)로 금속 시트의 표면 영역의 적어도 일부(바람직하게는 적어도 40%)를 코팅하는 것을 포함한다. 그 후, 코팅된 시트는 적어도 10분 동안 250℃ 이상의 온도로 산소 존재하에서 (바람직하게는, 빈틈없는 코일(tight coil)로 코일링한 후) 가열된다. 일반적으로, 가열 온도는 실리콘의 분해(따라서 비접착 특성의 손실)를 피하도록 약 400℃ 미만으로 유지된다. 가열 단계는 실리콘 코팅을 건조 및 고화시킬 뿐만 아니라 (원한다면) 시트제품을 어닐링하고 "데드-폴딩" 특성을 부여하도록 열처리 한다. 시트를 어닐링하기 위해, 온도는 일반적으로 270 내지 350℃ 범위내를 유지한다. 그러나, 더 경질이며 강한 시트가 요구되고 열처리 시간을 적절하게 제한할 필요가 있는 경우에, 때때로 부분적으로 어닐링된 호일이 바람직하다. 따라서, 열처리 지속시간은 소망 금속 특성에 따라 선택되지만 통상 2시간 미만(예컨대, 약 1시간)이다.
바람직하게는, 가열 단계는 산소 공급원으로서 공기내에서 실시되지만,필요에 따라 가열은 다른 산소함유 분위기에서 실시될 수 있다. 시트가 코일링된 경우라도, 랩(wrap) 또는 권선(winding) 사이에 일부 공간이 여전히 존재하여 산소 침입을 충분하게 한다. 이 침입은 코일 전체에 걸친 더 큰 가스 분산을 보장하도록 열풍( 또는 다른 산소-함유 가스) 스트림을 코일에 분사시키는 것에 의해 촉진될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 비접착 표면을 갖는 비접착, "식품-친화성"(즉, 비오염) 금속 호일 시트에 관한 것이다. 비접착 특성은 전술한 방법에 의해 제조된 코팅, 즉 금속 표면에 강하게 접합된 코팅을 통해 표면에 부여된다.
본 발명은 알루미늄 시트제품의 처리에 주로 사용되며, 비록 종래부터 식품용으로 사용되는 합금이 바람직하지만 임의의 알루미늄 합금에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 다른 금속, 예컨대 강 또는 다른 철 금속에 사용될 수 있다.
요구에 따라 시트의 양면이 본 발명에 따라 처리될 수 있지만, 통상적으로 단지 일면의 처리만으로 충분하며, 바람직하다.
본 발명의 이점은, 실리콘 오일이 저하중(low loading)으로 빠르게 도포될 수 있으며, 경화 단계는 금속에 대한 어닐링 단계와 조합될 수 있다는 것이다. 본 발명의 방법을 이용하여 분당 최대 2,000 피트의 코팅 속도가 달성될 수 있으며, 초기에 대형 코일로 형성된 시트는 더 큰 편의를 위해 일반적으로 25 내지 500 피트의 작은 롤로 재포장되지만, 얻어지는 시트는 추가적인 표면처리 없이 식품 용도에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "시트"는 큰 표면 영역과 비교적 작은 두께의 임의의 연신 층상 제품을 의미하지만, 본 발명은 금속 호일, 예컨대 손으로 쉽게 굽혀지고 접혀지는 예컨대 식품 랩핑 또는 커버링에 이용되거나 또는 저가의 일회용 식품용기 또는 커버를 제조하기 위한 0.008 인치 이하의 두께를 갖는 시트와 주로 관련된다. 일반적으로, 본 발명에 따라 처리되는 시트는 사전 표면처리 없이 공장(mill)으로부터 입수된 형태이다.
용어 "비접착 표면"의 의미는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 이해되는 것이지만, 실제 정의는 표면이 조리 온도(최대 450℉)와 접촉하고 노출된 경우 전분, 설탕 또는 단백질을 함유하는 식품이 표면에 강하게 접착되지 않는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용된 용어 "실리콘 오일 또는 유체"는 액상 실리콘, 즉 구조 유닛 R2SiO(여기서, R은 유기 그룹)에 기초한 반무기 중합체(semi-inorganic polymer)를 말한다. 물과 유사한 점성(약 1 cp)을 갖는 디메틸 실록산이 특히 바람직하지만, 예컨대 디메틸 폴리실록산, 폴리에스테르-개질 메틸 페닐 폴리실록산 및 히드록실기 실리콘 수지의 다른 류의 실리콘 중합체가 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 적절한 실리콘 오일 및 유체는 미국 소재의 다우 코닝사 및 캐딜락 오일 캄퍼니에 의해 제조된다. 일반적으로, 촉매는 시트를 오염시킬 수 있고 식품용도에 부적합한 제품이 얻어지기 때문에 실리콘 오일 또는 수지내의 중합화 촉매의 존재는 회피된다. 예를 들면, 실리콘 이형제, 산화방지제 등의 다른 첨가물도 일반적으로 피해야 한다. 그러나, 실리콘 오일 또는 유체의 점성을 감소시키기 위한 요구에 따라, 예컨대 이소프로필 알콜 또는 케톤 용매 등의 휘발성, 비독성 용매가 첨가될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "실질적으로 무용매(solvent-free)"는 순수 실리콘 오일 제품의 상업적 등급에 용매가 첨가되지 않은 것을 의미한다. 실리콘 오일은 완전한 무용매(solvant free)(간단하게 "무용매"로 언급됨)가 바람직하다. 상기 경우에 있어서, 실리콘 수지는 실질적으로 순수하며 상업적 등급 제품내에 통상적으로 존재하는 불순물만을 함유한다.
도 1은 본 발명의 한가지 형태에 따른 바람직한 방법에서의 단계를 도시하는 개략도이다.
본 명세서에서 사용된 용어 "알루미늄"은 특히 컨버터 호일(converter foil) 의 형성에 사용된 알루미늄 합금 뿐만 아니라 순알루미늄을 포함하는 것을 의미한다. 더욱이, 본 발명은 호일의 코팅에 특히 적용가능하지만, 본 발명의 하기 기술에서 사용되는 용어 "호일"은 더 큰 두께의 시트품으로 또한 사용될 수 있다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 형태는 STEP A 및 SREP B로서 도시된 2 단계를 포함한다. STEP A에 있어서, 화살표 A 방향으로 이동하는 호일 시트(10)는 호일을 손상시키거나 흠을 낼 수 있는 어떠한 고체 물체가 호일에 접촉하는 것을 피하기 위해 스프레이 코팅기(14)(바람직하게는, 초음파 스프레이 코팅기)로부터 분사되는 스프레이(13) 형태의 상업적 순수 등급의 실리콘 오일(12)로 일면(11)(양면 코팅이 가능하지만)이 코팅된다. 스프레이는 주위 온도로 공급되며, 코팅 속도는 상당히 높은, 예컨대 초당 최대 2000 ft일 수 있다. 다른 종래의 코팅 방법이 채용될 수 있지만, 예컨대 와이핑(wiping), 브러싱(brushing) 또는 플로잉(flowing) 등은 덜 바람직하다.
바람직하게는, 실리콘 오일은 디메틸실록산 유닛의 중합체이며, 상업적으로 얻을 수 있는, 예컨대 미국 미시간주 햄트라맥 소재의 캐딜락 오일 캄퍼니의 상표명 CADCO 03-B-956-50의 제품으로 얻을 수 있다.
코팅 후에, 호일 시트는 화살표 B 방향으로 회전하는 롤러(16)상에 시트를 빈틈없이 권선하는 것에 의해 코일(15) 형태로 코일링된다.
이 코팅 방법에 있어서, 호일 시트의 표면 영역(일면 또는 양면)의 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 60% 또는 최대 100%가 실리콘 오일로 코팅된다. 오일은 코팅면의 10 mg/ft2 미만, 바람직하게는 6 mg/ft2 미만의 평균 코팅율(또는 하중)로 도포된다. 약 10 mg/ft2 이상의 코팅율은 일부가 실리카를 형성하여 호일 층 사이에 국부적 결합을 형성할 수 있으며, 코일내의 층이 함께 눌어붙어 코일이 풀려질 경우 호일이 찢어질 수 있다. 더 낮은 코팅율에서는 모든 경우에 있어서 비접착 코팅이 되지 않을 수 있기 때문에, 최소 평균 코팅율은 약 1.5 mg/ft2 이며(바람직하게는, 2 mg/ft2 )이다. 또한, 상기 낮은 코팅율은 과잉 코팅이 코일의 말단에서 나타나지 않아 오염을 피할 수 있는 이점을 갖는다.
바람직하게는, 실리콘 오일은 무용매 및 무희석이다. 또한, 제품이 식품과 접촉할 수 있으며 촉매가 종종 어느 정도 독성을 갖기 때문에 촉매가 없는 것이 바람직하다.
STEP B에 있어서, 코일(15)은 가열노(17)로 이송되어 공기 또는 산소의 존재하에서 적어도 10분 동안 250℃ 이상의 온도로 가열된다. 약 250℃ 미만의 온도에서, 모든 경우에 있어서 비접착 코팅은 형성되지 않는다. 가열 단계에 대한 특정 상한은 없지만, 바람직하게는 실리콘의 분해를 피하도록 약 400℃ 이하이며, 특히 약 350℃ 이상의 온도를 사용하는 것을 필요하지 않다. 가열 단계의 지속시간은 실리콘 오일을 건조 경화 형태로 전환시키고 소망의 템퍼(temper)를 금속 호일에 부여하는데 충분하여야 한다.
열처리 후에, 코일은 대기 공기내에서 자연적으로 냉각되거나 또는 자연 냉 각속도 보다 더 빠르게, 예컨대 냉각 공기 또는 다른 가스의 유동으로 냉각된다. 그 후, 호일 시트는 바로 사용되거나 또는 풀려질 수 있으며, 판매 및 사용을 위해 포장될 수 있다. 호일은 바람직한 비접착 특성을 갖는 경질 건조 코팅을 갖는다. 코팅 실리콘 오일은 알루미늄 표면상에 중합되는 것으로 보이며 호일에 비접착을 부여하는 불침투성 층을 형성시킨다.
임의의 특정 작동 이론에 제한되지 않고, 도포된 실리콘 오일은 가열 단계 동안 호일 표면으로부터 적어도 부분적으로 증발된다고 믿어진다. 호일이 코일 형태로 되어 있기 때문에, 증기는 쉽게 빠져나갈 수 없으며, 전체 호일 표면에 걸쳐 균일하게 재분산될 수 있다. 공기 또는 산소의 존재는 실리콘 오일내에서 일어나는 중합화 반응을 일으켜, 전체 호일 표면에 걸쳐 균일한 비접착 코팅의 피착을 가져온다. 빈틈없이 감겨진 코일내라도 충분한 산소가 존재한다. 산소가 없으면, 예컨대 가열이 질소와 같은 다른 가스내에서 실시되면, 중합화는 일어나지 않으며 비접착 코팅이 형성되지 않는다.
본 발명은 비제한적인 하기 실시예에 의해 더욱 상세히 설명된다.
실시예
본 발명에 따른 다수의 실시예 또는 비교예는 하기 표 1에 나타나 있다. 모든 실시예는 코일 형태(12 인치 및 6 인치 직경)로 공기내에서 어닐링된 호일이다. 이는 랩의 접착이 회피되어야 하기 때문에 부가적인 잠재적인 문제를 일으킬 위험이 있다. 그러나, 랩의 접착이 나타나는 실시예는 열처리를 실시할 때 코일링을 피하도록 변형될 수 있으며, 이에 의해 유용한 제품을 얻을 수 있다.
실시예 번호 실리콘 오일 도포 (디메틸 실록산) (mg/ft2) 어닐링온도 (℃, 1시간 동안 유지됨) 비고
1 0 290 식품 접착,무랩,부적합한 제품
2 0.5 290 식품 접착,무랩,부적합한 제품
3 1.5 290 비접착,무랩
4 3 290 비접착,무랩
5 6 290 비접착,랩의 약간의 접착, 그러나 적합
6 8 290 비접착,랩접착, 그러나 적합한 제품
7 16 290 비접착,강한 랩접착,부적합한 제품
8 3 230 식품 접착,무랩,그러나 적합한 제품
9 1.5 260 비접착,무랩
10 3 270 비접착,무랩
실시예 3, 4 및 5는 순 질소의 분위기에서 되풀이되었다. 얻어진 결과는 호일이 함께 접착되지는 않지만 식품이 호일에 눌어불어, 제품은 부적합하였다. 비어닐링 호일이 사용된 경우 동일한 결과가 얻어졌다.

Claims (17)

  1. 금속 표면에 비접착 코팅을 부여하는 방법에 있어서,
    실리콘 오일로 코팅 표면 영역에 1.5 내지 10 mg/ft2 범위의 평균 코팅 도포율로 금속 시트의 표면 영역을 코팅하는 단계; 및
    상기 시트를 적어도 10분 동안 250℃ 이상의 온도로 산소 존재하에서 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 영역은 상기 표면의 전체 영역의 적어도 40%이며,
    상기 코팅 후, 상기 가열 전에 상기 금속 시트를 코일링하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅율은 2.0 내지 10 mg/ft2 범위인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅율은 2.0 내지 6 mg/ft2 미만의 범위인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열은 400℃ 이하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열은 270 내지 350℃ 범위의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열은 상기 산소 공급원으로서 공기내에서 실시되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시트는 호일인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘은 디메틸 실록산인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 오일은 실질적으로 무용매인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 오일은 용매내에서 용해되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 용매는 이소프로필 알콜과 케톤 용매로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 오일은 실리콘 오일 이외의 다른 물체가 시트와 접촉하는 것을 회피하는 방법에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 오일은 초음파 분사에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 2개의 대향 면을 가지며, 상기 양 면의 영역은 코팅 표면 영역에 1.5 내지 10 mg/ft2 범위의 평균 코팅 도포율로 상기 실질적인 무용매 실리콘 오일로 코팅되는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  17. 제 1 항에 기재된 방법에 의해 제조된 비접착 표면을 갖는 금속 시트.
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