KR20200047599A - 판지용 열밀봉성 배리어 코팅 - Google Patents

판지용 열밀봉성 배리어 코팅 Download PDF

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KR20200047599A
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로리 잔느 포르땅
캐서린 린 베이스
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조지아-퍼시픽 블리치드 보드 엘엘씨
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Abstract

판지 블랭크 및 이로부터 제조되는 컵이 제공된다. 블랭크는 제1 면 및 제2 면을 갖는 판지 기재를 포함한다. 제1 중합체 층은 판지 기재의 제1 면의 적어도 일부분 상에 배치될 수 있고, 제2 중합체 층은 판지 기재의 제2 면의 적어도 일부분 상에 배치될 수 있다. 제1 중합체 층 및 제2 중합체 층 둘 모두는 열가소성인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함할 수 있다. 제2 중합체 층은, 제1 중합체 층에 존재하지 않고 제1 중합체 층의 모든 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 적어도 하나의 중합체 성분을 추가로 포함한다.

Description

판지용 열밀봉성 배리어 코팅
배경기술
기술분야
기재된 실시 형태들은 대체로 종이 제품을 위한 판지 블랭크(paperboard blank), 이의 제조 방법, 및 이로부터의 판지 제품에 관한 것이다. 더 상세하게는, 기재된 실시 형태들은 대체로 컵 원지(cup stock)에 관한 것이다.
섬유질 기재(substrate), 예컨대 종이 및 판지는 식품 서비스 응용에서 매우 다양한 종이 제품, 예컨대 플레이트, 보울, 및 컵을 제조하는 데 사용된다. 일부 특정 용도, 예컨대 캐니스터(canister) 응용에 사용되는 종이 제품은 변환 작업에서 열밀봉 단계를 필요로 한다.
a) 종이 및 판지로부터 생성된 제품은 종이의 배리어(barrier) 특성을 개선하도록 처리되지 않는 한 물, 가스, 오일, 용매 및 그리스에 대한 불량한 저항성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일회용 컵을 제조하는 데 사용되는 판지의 내수성 특성을 개선하기 위하여, 판지는 전형적으로 판지 원지의 한쪽 면 또는 양쪽 면 상에 고온-용융 압출된 폴리에틸렌으로 코팅된다. 뜨거운 응용의 경우, 폴리에틸렌 층은 컵의 내부에 배치되고, 반대쪽 면 상에서 베어(bare) 또는 점토-코팅된 판지에 접합된다. 차가운 응용의 경우, 컵의 외부는 응축에 의한 판지의 손상을 방지하기 위해 내수성일 필요가 있으며, 이에 따라 외부는 또한 폴리에틸렌으로 코팅되고, 2개의 폴리에틸렌 표면은 사이드 시임(side seam)에서 함께 열밀봉된다. 이와 유사하게, 저부 원지는 폴리에틸렌 코팅된 판지 표면이, 또한 폴리에틸렌 코팅된 컵 원지의 내부 표면에 열밀봉되도록 매칭된다.
폴리에틸렌 코팅이 우수한 수분 배리어로서의 역할을 하고 상당히 저렴하지만, 특히 종이컵을 위한 용융 압출된 폴리에틸렌에 대한 대체물을 개발하기 위한 노력이 지속되고 있다. 예를 들어, 액체-기반 중합체 분산물 또는 에멀젼이 용융 압출된 폴리에틸렌에 대한 대체물이다. 액체-기반 중합체 분산물 또는 에멀젼 형태로 배리어를 적용하고, 이어서 건조시켜 연속 필름을 형성하게 된 것의 특정 동기부여는 지속성과 관련되어 있다. 압출된 용융 커튼에 관한 안정성 요건이 제거될 수 있기 때문에, 더 적은 재료가 사용될 수 있다. 또한, 분산물-코팅된 배리어는 압출-코팅된 배리어보다 대체로 더 재펄프화 가능하며(repulpable), 이에 따라 더 재활용가능하다.
판지 블랭크, 블랭크로부터 제조된 컵, 및 이의 제조 방법이 제공된다. 블랭크는 제1 면 및 제2 면을 갖는 판지 기재를 포함한다. 제1 중합체 층은 판지 기재의 제1 면의 적어도 일부분 상에 배치될 수 있고, 제2 중합체 층은 판지 기재의 제2 면의 적어도 일부분 상에 배치될 수 있다. 제1 중합체 층 및 제2 중합체 층 둘 모두는 열가소성인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함할 수 있다. 제2 중합체 층은, 제1 중합체 층에 존재하지 않고 제1 중합체 층의 모든 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 적어도 하나의 중합체 성분을 추가로 포함한다. 블랭크는 컵 또는 다른 음료 용기를 제조하는 데 사용될 수 있다.
컵은 제1 면 및 제2 면을 갖는 측벽을 포함할 수 있으며, 제1 중합체 층이 측벽의 제1 면의 적어도 일부분 상에 배치되고, 제2 중합체 층이 측벽의 제2 면의 적어도 일부분 상에 배치된다. 제1 중합체 층 및 제2 중합체 층 둘 모두는 열가소성인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함할 수 있다. 제2 중합체 층은, 제1 중합체 층에 존재하지 않고 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체 성분을 추가로 포함한다.
도 1은 기재된 하나 이상의 실시 형태에 따른 예시적인 블랭크의 개략도를 도시한다.
도 2는 기재된 하나 이상의 실시 형태에 따른, 선 2-2를 따른 도 1에 도시된 블랭크의 개략 단면도를 도시한다.
도 3은 기재된 하나 이상의 실시 형태에 따른, 예시적인 종이컵의 부분 절단 사시도를 도시한다.
놀랍게도, 상이한 중합체 층들을 갖는 코팅된 판지를 알아내었으며, 여기서 판지의 한쪽 면은, 다른 한쪽 면에는 존재하지 않고 다른 한쪽 면의 중합체 성분(들)보다 더 높은 유리 전이 온도(Tg)를 갖는 적어도 하나의 중합체 성분을 갖는다. 이러한 Tg 차이는 유사한 Tg를 갖는 중합체 조성물로 양쪽 면이 코팅된 판지와 대비하여 월등한 열밀봉을 제공한다. 더 놀랍게도, 판지 표면 상에 열가소성 물질로 처리할 때, 반대쪽 표면은, 반대쪽 표면에 존재하지 않는 제2 열가소성 물질, 그리고 더 특히, 다른 한쪽 면의 열가소성 물질(들)보다 더 높은 유리 전이 온도(Tg)를 갖는 제2 열가소성 물질과 블렌딩될 때, 상당히 더 효율적인 열밀봉 거동을 나타낸다는 것을 알아내었다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "유리 전이 온도"는 ASTM D3418에 따라 측정될 때, 열가소성 물질이 경질이고 비교적 취성인 "유리질" 상태로부터 점성 또는 고무질 상태로 전이되는 온도(Tg)를 지칭한다. 유리 전이 온도(Tg)는 열가소성 물질의 결정질 상태의 용융 온도(Tm)보다 더 낮다.
"열가소성 중합체(들)"란, 열에 의해 용융되고 이어서 특성의 상당한 변화 없이 냉각될 수 있는 중합체를 의미한다. 열가소성 중합체는 전형적으로 스티렌계 물질, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 비닐, 폴리할로올레핀, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리설폰, 폴리아세탈, 폴리락톤, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 스티렌-아크릴, 스티렌-부타디엔, 스티렌-아크릴로니트릴 수지, 스티렌 말레산 무수물, 폴리이미드, 방향족 폴리케톤, 또는 이들 중 임의의 둘 이상의 공중합체 또는 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 바람직한 폴리할로올레핀은 폴리비닐리덴 클로라이드이다.
적합한 열가소성 중합체는 아크릴산 또는 이의 유도체 및 염일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적합한 중합체는 하기 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다: 폴리아크릴 및 폴리아크릴산, 예컨대 폴리(벤질 아크릴레이트), 폴리(부틸 아크릴레이트)(들), 폴리(2-시아노부틸 아크릴레이트), 폴리(2-에톡시에틸 아크릴레이트), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리(2-에틸헥실 아크릴레이트), 폴리(플루오로메틸 아크릴레이트), 폴리(5,5,6,6,7,7,7-헵타플루오로-3-옥사헵틸 아크릴레이트), 폴리(헵타플루오로-2-프로필 아크릴레이트), 폴리(헵틸 아크릴레이트), 폴리(헥실 아크릴레이트), 폴리(아이소보르닐 아크릴레이트), 폴리(아이소프로필 아크릴레이트), 폴리(3-메톡시부틸 아크릴레이트), 폴리(메틸 아크릴레이트), 폴리(노닐 아크릴레이트), 폴리(옥틸 아크릴레이트), 폴리(프로필 아크릴레이트), 폴리(p-톨릴 아크릴레이트), 폴리(아크릴산) 및 이들의 유도체 및 염; 폴리아크릴아미드, 예컨대 폴리(아크릴아미드), 폴리(N-부틸아크릴아미드), 폴리(N,N-다이부틸아크릴아미드), 폴리(N-도데실아크릴아미드), 및 폴리(모르폴릴 아크릴아미드); 폴리메타크릴산 및 폴리(메타크릴산 에스테르), 예컨대 폴리(벤질 메타크릴레이트), 폴리(옥틸 메타크릴레이트), 폴리(부틸 메타크릴레이트), 폴리(2-클로로에틸 메타크릴레이트), 폴리(2-시아노에틸 메타크릴레이트), 폴리(도데실 메타크릴레이트), 폴리(2-에틸헥실 메타크릴레이트), 폴리(에틸 메타크릴레이트), 폴리(1,1,1-트라이플루오로-2-프로필 메타크릴레이트), 폴리(헥실 메타크릴레이트), 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트), 폴리(2-하이드록시프로필 메타크릴레이트), 폴리(아이소프로필 메타크릴레이트), 폴리(메타크릴산), 폴리(메틸 메타크릴레이트) - 어택틱, 아이소택틱, 신디오택틱, 및 헤테로택틱과 같은 다양한 형태로 존재함 -; 및 폴리(프로필 메타크릴레이트); 폴리메타크릴아미드, 예컨대 폴리(4-카르복시페닐네타크릴아미드); 다른 알파- 및 베타-치환된 폴리(아크릴) 및 폴리(메타크릴), 예컨대 폴리(부틸 클로르아크릴레이트), 폴리(에틸 에톡시카르보닐메타크릴레이트), 폴리(메틸 플루오로아크릴레이트), 및 폴리(메틸 페닐아크릴레이트).
예시적인 열가소성 중합체는 또한, 폴리올레핀 단일중합체 및 폴리올레핀 공중합체를 포함한 하나 이상의 폴리올레핀을 함유할 수 있다. 예시적인 폴리올레핀은 모노-올레핀 단량체로부터 제조될 수 있으며, 이에는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 단량체, 예컨대 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 아이소부틸렌, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 3-메틸-1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 5-메틸-1-헥센, 이들의 혼합물, 및 (메트)아크릴레이트 및/또는 비닐 아세테이트와의 이들의 공중합체가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 예시적인 폴리올레핀은 또한 하나 이상의 선형, 분지형 또는 환형 C2 내지 C40 올레핀을 포함하는 중합체, 바람직하게는 하나 이상의 C3 내지 C40 올레핀, 바람직하게는 C3 내지 C20 알파 올레핀, 더 바람직하게는 C3 내지 C10 알파-올레핀과 공중합된 프로필렌을 포함하는 중합체를 포함할 수 있다. 폴리올레핀은 또한 C3 내지 C40 올레핀, 바람직하게는 C3 내지 C20 알파 올레핀, 더 바람직하게는 프로필렌 및/또는 부텐과 공중합된 에틸렌을 포함하지만 이로 한정되지 않는 에틸렌을 포함하는 중합체를 포함할 수 있다. 달리 언급된 것을 제외하고는, 용어 "공중합체"는 둘 이상의 단량체로부터 유도되는 중합체(삼원공중합체, 사원공중합체 등을 포함함)를 의미하고, 용어 "중합체"는 하나 이상의 상이한 단량체로부터의 반복 단위들을 갖는 임의의 탄소-함유 화합물을 지칭한다.
소정 예가 제공된 도면에 도시되고 하기에 상세히 기재되어 있다. 이들 예를 설명함에 있어서, 유사하거나 동일한 도면 부호는 공통이거나 유사한 요소를 식별하는 데 사용된다. 도면은 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 도면의 소정 특징부 및 소정 뷰는 명확함 및/또는 간결함을 위해 과장된 축척으로 나타내거나 개략적으로 나타낼 수 있다.
도 1은 하나 이상의 실시 형태에 따른 예시적인 블랭크(100)의 개략도를 도시하고, 도 2는 도 1에 도시된 블랭크(100)의 선 2-2를 따른 개략 단면도를 도시한다. 코팅된 판지(100)는 판지 기재(130)의 제1 면(125)의 적어도 일부분 상에 배치된 제1 중합체 층(110), 및 판지 기재(130)의 제2 면(135)의 적어도 일부분 상에 배치된 제2 중합체 층(150)을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 코팅된 판지(100)는 판지 기재(130)의 제1 면(125)의 적어도 일부분 상에 배치된 제1 중합체 층(110)을 포함할 수 있고, 판지 기재(130)의 제2 면(135)은 베어 상태일 수 있다. 각각의 중합체 층(110, 150)은 하나 이상의 개별 층 또는 필름일 수 있으며, 각각은 두께가 낮게는 약 0.002 mm, 약 0.005 mm, 약 0.01 mm, 약 0.03 mm, 약 0.05 mm, 약 0.07 mm, 또는 약 0.1 mm부터 높게는 약 0.15 mm, 약 0.17 mm, 약 0.2 mm, 약 0.25 mm, 약 0.3 mm, 또는 약 0.35 mm에 이르는 범위이다.
하나 이상의 제1 및 제2 중합체 층(110, 150)은 딥-코팅(dip-coating), 로드 코팅, 블레이드 코팅, 그라비어 및 리버스-롤 코팅(reverse-roll coating), 슬라이드 코팅, 비드 코팅, 압출 코팅, 커튼 코팅 등을 포함한 임의의 적합한 공정을 사용하여 판지 기재(130)의 어느 한쪽 면 상에 배치될 수 있다. 다른 적합한 코팅 방법은 권취 와이어 로드 코팅, 슬롯 코팅, 슬라이드 호퍼 코팅, 그라비어, 커튼 코팅 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 이들 방법 중 일부는 2개 이상의 층의 동시 코팅을 가능하게 하는데, 이는 제조 경제성 관점에서 바람직하다. 추가의 코팅 기법 및 건조 방법이 미국 특허 제6,884,479호에 더 상세히 기재되어 있다. 코팅 후에, 이들 층은 단순 증발에 의해 건조될 수 있으며, 이는, 예를 들어 대류 가열과 같은 알려진 기법을 사용하여 가속될 수 있다.
각각의 중합체 층(110, 150)은 임의의 수의 중합체 성분을 포함할 수 있다. 각각의 중합체 층(110, 150)은 판지(100)에 충분한 액체 저항 특성을 제공하기 위해 하나 이상의 열가소성 중합체 성분을 포함할 수 있다. 제1 중합체 층(110)과 제2 중합체 층(150)은, 제2 중합체 층(150)이 상이한 유리 전이 온도를 갖는 둘 이상의 중합체 성분의 블렌드 - 각각의 성분에 대해 하나씩의 유리 전이 온도 - 인 것을 제외하고는 달리 동일할 수 있다. 제2 중합체 층(150)에서의 블렌드는, 제1 중합체 층(110)에 존재하지 않고 제1 중합체 층(110)의 중합체 성분(들)보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 적어도 하나의 중합체 성분을 포함한다. 달리 말하면, 제2 중합체 층(150)은, 제1 중합체 층(130)에서 발견되지 않고 제1 중합체 층(110)의 각각의 중합체 성분의 모든 유리 전이 온도보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 적어도 하나의 중합체 성분을 가질 수 있다.
소정 실시 형태에서, 중합체 층(110, 150) 내의 각각의 중합체 성분은 유리 전이 온도가 낮게는 약 -20℉, 약 0℉, 또는 약 50℉부터 높게는 약 80℉, 120℉, 또는 160℉에 이르는 범위일 수 있다. 중합체 층(110, 150) 내의 각각의 성분은 또한 유리 전이 온도가 약 -20℉ 내지 약 200℉; 약 -20℉ 내지 약 50℉; 약 -20℉ 내지 약 38℉; 약 -10℉ 내지 약 80℉; 약 0℉ 내지 약 150℉; 또는 약 50℉ 내지 약 280℉의 범위일 수 있다. 소정 실시 형태에서, 중합체 층(110, 150) 둘 모두 내의 각각의 중합체 성분의 유리 전이 온도는 실온보다 낮다(예를 들어, 78℉/25℃ 미만이다). 소정 실시 형태에서, 제1 중합체 층(110) 내의 중합체 성분(들)의 유리 전이 온도는 실온보다 낮다(예를 들어, 78℉/25℃ 미만이다). 소정 실시 형태에서, 제1 중합체 층(110) 내의 중합체 성분(들)의 유리 전이 온도는 대략 실온이거나 실온보다 높다(예를 들어, 78℉/25℃ 미만이다). 소정 실시 형태에서, 제2 중합체 층(150) 내의 각각의 중합체 성분의 유리 전이 온도는 32℉ 미만, 약 66℉ 미만, 또는 약 86℉ 미만일 수 있다. 소정 실시 형태에서, 제1 중합체 층(110) 내의 각각의 중합체 성분의 유리 전이 온도는 32℉ 미만, 약 60℉ 미만, 약 90℉ 미만, 또는 약 140℉ 미만일 수 있다.
제1 중합체 층(110) 내의 최고 유리 전이 온도 성분과 제2 중합체 층(150) 내의 최고 유리 전이 온도 성분 사이의 차이(제2 층(150)의 최고 중합체 성분 Tg - 제1 층(110)의 최고 중합체 성분 Tg)는 적어도 10℉, 15℉, 또는 20℉, 또는 그 이상일 수 있다. 이러한 차이는 또한 "Tg 차이"로 지칭될 수 있다. Tg 차이는 약 5℉, 약 10℉, 약 15℉, 약 18℉, 약 25℉, 또는 약 27℉일 수 있다. Tg 차이는 또한 낮게는 약 5℉, 10℉, 15℉, 또는 20℉부터 높게는 약 40℉, 70℉, 또는 100℉에 이르는 범위일 수 있다. Tg 차이는 또한 5℉ 내지 30℉, 10℉ 내지 150℉; 15℉ 내지 125℉; 10℉ 내지 70℉; 또는 32℉ 내지 83℉일 수 있다.
기재에 대한 표면 처리
중합체 층(110, 150)의 적용 전에, 판지의 외부 표면들 중 한쪽 또는 양쪽은 표면 에너지를 증가시켜 판지 표면이 금속화, 코팅, 인쇄 잉크, 및/또는 라미네이션에 대해 더 수용적이게 하도록 표면-처리될 수 있다. 표면 처리는 코로나 방전, 화염, 플라즈마, 화학적 처리, 또는 편극 화염(polarized flame)에 의한 처리를 포함한 당업계에 알려진 방법들 중 하나에 따라 수행될 수 있다.
외부 표면에 탑 코팅(top coating)을 적용하기 전에, 코팅하려는 표면을 추가로 처리하여 그의 표면 에너지를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 코팅하려는 표면은 화염 처리, 플라즈마, 코로나 방전, 필름 염소화(예를 들어, 가스상 염소에 대한 필름 표면의 노출), 산화제, 예컨대 크롬산에 의한 처리, 고온 공기 또는 스팀 처리, 화염 처리 등을 사용하여 처리될 수 있다. 임의의 이들 기법이 표면을 전처리하는 데 효과적으로 사용될 수 있지만, 바람직한 방법은 한 쌍의 이격된 전극 사이로 필름을 통과시키면서 고전압 코로나 방전에 표면을 노출시키는 것을 포함하는 전자적 처리 방법인 코로나 방전일 수 있다. 표면의 처리 후에, 이어서 중합체 층(110, 150)이 그것에 적용될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 프라이머 코팅이 기재의 한쪽 이상의 표면에 탑 코팅으로서 적용될 수 있다. 프라이머는 중합체 층(110, 150)의 적용 전에 또는 다른 탑 코팅의 적용 전에 표면에 적용될 수 있다. 프라이머가 적용될 때, 아래에 놓이는 표면은 전술한 방법들 중 하나에 의해 처리될 수 있다.
적합한 프라이머 재료는 당업계에 잘 알려져 있으며, 예를 들어 에폭시 및 폴리에틸렌 이민(PEI) 재료를 포함한다. 각각 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제3,753,769호, 미국 특허 제4,058,645호 및 미국 특허 제4,439,493호는 그러한 프라이머의 사용 및 적용을 개시한다. 프라이머는, 후속으로 적용되는 중합체 층과의 완전하고 확실한 접합을 위한 전체 접착 활성 표면을 제공하며, 통상적인 용액 코팅 수단에 의해, 예를 들어 롤러 적용에 의해 기재에 적용될 수 있다.
열밀봉성 배리어 층(들) 바로 아래의 바람직한 표면 처리는 사이즈 프레스 코팅(대부분 전분이지만, 폴리비닐 알코올, 중합체 라텍스 중합체 및 점토 또는 다른 무기물이 또한 존재할 수 있음)이다. 사이즈 프레스 코팅이 열밀봉 층의 침투를 방지하는 것을 도울 수 있지만, (배리어 내의 어떠한 핀홀도 기존의 "하이 스폿(high spot)"으로부터 발생되지 않도록) 표면을 추가로 평활하게 하기 위해, 그리고 또한 표면에 더 작은 기공 크기를 제공하여 분산된 중합체가 그것이 분산되어 있는 물 중에 드래깅되는 대신에 표면 상에 머무르는 것을 보장하는 데 도움을 주기 위해 후속 코팅이 또한 적용될 수 있다. 이러한 홀드아웃 층(holdout layer)은, 주로 무기 입자(탄산칼슘 또는 점토) 및 이들 입자를 함께 유지하기 위한 소량의 중합체 결합제를 함유하는 통상적인 종이 코팅일 가능성이 가장 높을 것이다.
판지 기재
판지 기재(130)는 원하는 종이 용기를 형성할 수 있는 임의의 판지 재료일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 판지 기재(130)로서 사용하기에 적합한 판지 재료는 평량이 판지 기재 3,000 제곱피트당 약 60 파운드 내지 약 250 파운드, 또는 판지 기재 3,000 ft2당 약 120 파운드 내지 약 250 파운드일 수 있다. 판지 재료의 평량은 판지 기재 제곱피트당 낮게는 약 60 lb, 75 lb, 또는 120 lb부터 높게는 약 200 lb, 230 lb, 또는 250 lb에 이를 수 있다. 판지 재료는 두께가 낮게는 약 125 μm, 약 175 μm, 약 200 μm, 약 225 μm, 또는 약 250 μm부터 높게는 약 350 μm, 약 400 μm, 약 450 μm, 약 500 μm, 약 550 μm, 또는 약 600 μm에 이를 수 있다. 다른 예에서, 판지 재료는 두께가 약 185 μm 내지 약 475 μm, 약 215 μm 내지 약 425 μm, 또는 약 235 μm 내지 약 375 μm일 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 판지 기재(130)는 코팅되지 않거나 또는 제1 및 제2 중합체 층(110, 150)을 부가하기 전에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 기재(130)의 한쪽 면 또는 양쪽 면이 사이즈 프레스, 왁스 및/또는 점토를 포함한 하나 이상의 층으로 코팅될 수 있다. 각각의 코팅 층은 두께가 낮게는 약 0.002 mm, 약 0.005 mm, 약 0.01 mm, 약 0.03 mm, 약 0.05 mm, 약 0.07 mm, 또는 약 0.1 mm부터 높게는 약 0.15 mm, 약 0.17 mm, 약 0.2 mm, 약 0.25 mm, 약 0.3 mm, 또는 약 0.35 mm에 이르는 범위일 수 있다.
판지 기재(130)로서 사용될 수 있는 구매가능한 판지 재료는 고체 표백 황산염(SBS) 컵 원지, 표백 버진 보드, 비표백 버진 보드, 재생 표백 보드, 재생 비표백 보드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 예를 들어, Georgia-Pacific Corporation으로부터 입수가능한 SBS 컵 원지가 제2 층(150)으로서 사용될 수 있다.
컵
코팅된 판지(100)는 종이 제품, 예컨대 보울, 플레이트, 용기, 트레이, 플래터(platter), 딥 디시 용기, 홈이 있는 제품, 또는 컵으로 형성되는 블랭크일 수 있다. 용어 "종이 제품", "종이 용기", "판지 제품", 및 "판지 용기"는 본 명세서에서 상호교환 가능한 것으로 의도된다. 설명의 간소함 및 용이함을 위하여, 본 명세서에 제공된 실시 형태들을 도 3에 예시된 바와 같은 종이컵을 참조하여 추가로 설명할 것이다.
도 3은 하나 이상의 실시 형태에 따른, 예시적인 종이컵(300)의 부분 절단 사시도를 도시한다. 종이컵(300)은 측벽(305), 저부 패널 또는 컵 저부(320), 및 브림 컬(brim curl)(315)을 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 블랭크(100)는 제1 또는 "상부" 에지(107), 제2 또는 "하부" 에지(109), 제3 또는 "좌측" 에지(111), 및 제4 또는 "우측" 에지(113)를 가질 수 있다. 제1 에지(107)와 제2 에지(109)는 서로 반대편에 있고, 제3 에지(111)와 제4 에지(113)는 서로 반대편에 있다. 블랭크(100)는 절두-원추형 외부 측벽(305)을 갖는 종이컵(300)으로 형성될 수 있다. 제3 에지(111)와 제4 에지(113)는 서로 중첩되어 시임(310)을 갖는 측벽(305)을 형성할 수 있고, 제1 에지(107)는 컬링되어 브림(315)을 형성할 수 있고, 저부 패널(320)은 제2 에지(109)에서 또는 그에 인접하게 측벽(305)에 고정될 수 있다.
측벽(305)은 도 1에 도시된 코팅된 판지(100)의 제3 에지(111)와 제4 에지(113)를 롤링하거나 서로 접촉 상태에 있도록 달리 배치하여 시임(310)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅된 판지(100)는 시임(310)을 형성하도록 맨드릴 둘레에 형성될 수 있다. 그러한 바와 같이, 제1 에지(107)는 측벽(305)의 제1 또는 "상부" 에지를 형성할 수 있고, 제2 에지(109)는 측벽(305)의 제2 또는 "하부" 에지를 형성할 수 있다. 측벽(305)은 밀봉된 시임(310)을 제공하도록 열밀봉될 수 있다.
저부 패널(320)은 측벽(305) 상에 배치되거나 또는 달리 측벽에, 예를 들어 측벽의 제2 에지에 근접하게 또는 인접하게 고정될 수 있으며, 이에 따라 측벽(305)과 저부 패널(320)이 용기 용적부(530)를 한정하게 된다. 저부 패널(320)은 접착제 및/또는 가열 밀봉을 포함한 당업계에 알려진 임의의 다른 수단에 의해 측벽(305)에 결합되거나, 접착되거나, 접합되거나, 체결되거나, 부착되거나, 연결되거나, 또는 달리 고정될 수 있다. 저부 패널(320)은 코팅된 판지(100)의 제1 중합체 층(110)과의 사이에 시일을 형성할 수 있는 중합체 재료로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 저부 패널(320)은 제2 중합체 층(150)으로 코팅될 수 있다.
측벽(305)의 외부 및/또는 내부 표면은 코팅된 판지(100)에 적용될 수 있는 하나 이상의 인쇄된 패턴을 포함할 수 있다. "인쇄된 패턴" 및 유사한 용어는 미관을 위한 잉크-인쇄된 패턴을 지칭할 수 있다. 그러나, 그러한 특징부는 채움선(fill line)을 나타내는 것과 같은 기능적 측면을 가질 수 있다.
종이컵(300)은 임의의 적합한 용기 용적부(530)를 가질 수 있다. 예를 들어, 용기 용적부(330)는 낮게는 약 20 mL, 약 40 mL, 약 60 mL, 약 80 mL, 또는 약 100 mL부터 높게는 약 120 mL, 약 200 mL, 약 300 mL, 약 400 mL, 약 500 mL, 약 750 mL, 약 1,000 mL, 약 1,300 mL, 또는 약 1,500 mL에 이르는 범위일 수 있다. 예를 들어, 용기 용적부(595)는 약 150 mL 내지 약 500 mL, 약 450 mL 내지 약 1,000 mL, 약 400 mL 내지 약 900 mL, 또는 약 800 mL 내지 약 1,300 mL일 수 있다.
판지(100)의 임의의 하나 이상의 층(110, 130, 150)은 가공성 또는 취급성을 개선하기 위해 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 적합한 첨가제는 불투명화제, 안료, 착색제, 충전제, 스페이서, 가교결합제, 계면활성제, 소포제, 리올로지 개질제, 슬립제(slip agent), 산화방지제, 정전기 방지제, 수분 배리어 첨가제, 가스 배리어 첨가제 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 적합한 불투명화제, 안료 또는 착색제의 예는 산화철, 카본 블랙, 알루미늄, 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 활석, 베타 핵화제, 및 이들의 조합이다.
슬립제는 고급 지방족 산 아미드, 고급 지방족 산 에스테르, 왁스, 실리콘 오일, 및 금속 비누를 포함할 수 있다. 그러한 슬립제는 그것이 첨가될 수 있는 층의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 2 중량% 범위의 양으로 사용될 수 있다.
적합한 산화방지제는 페놀성 산화방지제를 포함할 수 있다. 산화방지제는 일반적으로 그것이 첨가될 수 있는 층(들)의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 2 중량% 범위의 양으로 사용될 수 있다.
정전기 방지제는 알칼리 금속 설포네이트, 폴리에테르-개질된 폴리다이오가노실록산, 폴리 알킬 페닐실록산, 및 3차 아민을 포함할 수 있다. 그러한 정전기 방지제는 층(들)의 총 중량을 기준으로 약 0.05 내지 3 중량% 범위의 양으로 사용될 수 있다.
본 발명에 유용한 충전제는 미분된 무기 고체 재료, 예컨대 실리카, 건식 실리카, 규조토, 탄산칼슘, 규산칼슘, 규산알루미늄, 카올린, 활석, 벤토나이트, 점토 및 펄프를 포함할 수 있다.
적합한 수분 및 가스 배리어 첨가제는 유효량의 저분자량 수지, 탄화수소 수지, 특히 석유 수지, 스티렌 수지, 사이클로펜타다이엔 수지, 및 테르펜 수지를 포함할 수 있다.
그러한 첨가제는 유효량으로 사용될 수 있으며, 이러한 유효량은 필요한 특성에 따라 달라진다. 예를 들어 블로킹을 방지하기 위해, 하나 또는 둘 모두의 층(110, 150)은 하나 이상의 블로킹 방지 입자 또는 슬립 첨가제를 포함할 수 있다. 금속, 예컨대 알루미늄이 판지(100)의 한쪽 면 또는 양쪽 면 상에 배치되어, 소정의 식품 포장 응용에 요구되는 우수한 배리어 특성을 제공할 수 있다. 첨가제의 총량은 층의 최대 약 20 중량%를 포함할 수 있지만, 일부 실시 형태는 층의 최대 약 30 중량%의 양으로 첨가제를 포함할 수 있다.
실시예
전술한 논의의 더 나은 이해를 제공하기 위해, 하기의 비제한적인 실시예를 제공한다. 이들 실시예는 구체적인 실시 형태에 관한 것일 수 있지만, 이들은 임의의 구체적인 측면에서 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 달리 나타내지 않는 한, 모든 부, 비율, 및 백분율은 중량 기준이다.
하기 코팅을 열밀봉 개시 온도에 대해 시험하였다.
코팅 재료
BASF Epotal S440: Tg가 -27℃(-17℉)인 스티렌 아크릴
Dow Rhoplex P-376 - Tg가 +19℃(66℉)인 스티렌 아크릴
IGI Barrier-Grip 9471A - Tg가 0℃ 미만(32℉ 미만)인 스티렌 아크릴/PE 왁스/점토 블렌드
Solvay Diofan B204 - Tg가 10 내지 15℃(50℉ 내지 59℉)인 비닐리덴 클로라이드 삼원공중합체
Owensboro Daran SL143 - Tg가 57 내지 59℃(135℉ 내지 138℉)인 비닐리덴 클로라이드 삼원공중합체
각각의 코팅을 #15 메이어(Meyer) 로드를 사용하여 기재에 끌어내리고, 200℉ 내지 225℉에서 박스 오븐 내에서 건조시켰다. 기재는 약 87 부의 탄산칼슘 대 13 부의 스티렌 아크릴의 비로 소량의 스티렌 아크릴 결합제(BASF Acronal S504)와 배합된 탄산칼슘(Om a HC60)의 사전-코팅된 층을 갖는 SBS 였다.
완전히 냉각시킨 후에, 2초의 체류 시간 동안 40 PSI에서 Sentinel 열밀봉기를 사용하여 다양한 온도를 적용함으로써 열밀봉 개시 온도를 결정하였다. 밀봉된 샘플을 당겨 떼어내고, % 섬유 인열에 대해 등급을 매겼다. 섬유 인열이 90%를 초과하면 열밀봉이 허용가능한 것으로 판단하였다. 섬유 인열이 90%를 초과하였을 때의 온도를 기록하였으며, 이는 하기 표 1에 요약되어 있다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 제2 층 내의 중합체 성분들의 블렌드는 비-블렌딩된(즉, 순수한(neat)) 중합체 층들 사이의 열밀봉 온도와 대비하여, 열밀봉 개시 온도를 상당히 감소시켰다.
상기 데이터는 블렌딩된 코팅이 두 층 모두에 사용될 수 있음을 시사하지만, 이는 롤 블로킹(roll blocking)에 대한 더 많은 위험을 야기하고, 다소 더 나쁜 배리어 특성으로 이어질 수 있는 재료 불상용성의 위험을 야기함을 시사한다. 이는 순수한 버전과 블렌딩된 버전에 대한 코브(Cobb) 시험 값을 비교함으로써 설명된다. 코브 시험은 주어진 시간에 걸친 물 흡수량(g/in2)의 척도이며, TAPPI 표준(Standard) T441("Water absorptiveness of sized (non-bibulous) paper, paperboard, and corrugated fiberboard (Cobb test)")에 따라 수행하였다. 컵 응용이 여기서 고려되고 있기 때문에, 시판 커피 제조기로부터 가열된(185℉) 수돗물을 사용하여 30분 동안 이 시험을 실행하였다. 결과가 하기 표 2에 기록되어 있다.
[표 2]
Figure pct00002
표 2에 나타낸 바와 같이, Epotal S440과 Rhoplex P-376의 70/30 블렌드의 물 흡수량은 순수한 중합체 코팅(Epotal S440)의 물 흡수량의 거의 2배였다. 이는, 그 자체에 밀봉된 중합체 블렌드는 더 낮은 열밀봉 개시 온도를 제공할 수 있지만, 그러한 더 낮은 온도는 상당한 희생 - 수분 배리어 특성의 상당한 감소 - 를 가져옴을 시사한다.
소정 실시 형태 및 특징부는 일련의 수치 상한 및 일련의 수치 하한을 사용하여 기재되어 있다. 달리 지시되지 않는 한, 임의의 두 값의 조합, 예를 들어 임의의 하한치와 임의의 상한치의 조합, 임의의 두 하한치의 조합, 및/또는 임의의 두 상한치의 조합을 포함하는 범위가 고려됨이 이해되어야 한다. 소정의 하한, 상한 및 범위가 하기의 하나 이상의 청구항에서 나타난다. 모든 수치는 지시된 값의 "약" 또는 "대략"을 나타내며, 당업자에 의해 예상되는 실험 오차 및 변동을 고려한다.
다양한 용어가 상기에 정의되어 있다. 청구항에 사용된 용어가 상기에 정의되어 있지 않는 한에 있어서, 적어도 하나의 인쇄된 간행물 또는 허여된 특허에 반영되는 바와 같이 당업자가 그 용어를 제공한 가장 넓은 정의로 제공되어야 한다. 더욱이, 본 출원에 인용된 모든 특허, 시험 절차, 및 기타 문헌은 그러한 개시가 본 출원과 상반되지 않는 한 완전히 참고로 포함되며 그러한 포함이 허용되는 모든 관할권에 대해 그러하다.
전술한 내용은 본 발명의 실시 형태에 관한 것이지만, 본 발명의 기본 범주로부터 벗어남이 없이 본 발명의 다른 그리고 추가의 실시 형태가 고안될 수 있으며, 그 범주는 하기의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (25)

  1. 제1 면 및 제2 면을 갖는 판지 기재(paperboard substrate);
    상기 판지 기재의 제1 면의 적어도 일부분 상에 배치되는 제1 중합체 층; 및
    상기 판지 기재의 제2 면의 적어도 일부분 상에 배치되는 제2 중합체 층을 포함하며, 상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 열가소성인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함하고, 상기 제2 중합체 층은, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않고 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체 성분을 추가로 포함하는, 판지 블랭크(paperboard blank).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 스티렌 아크릴을 포함하는, 판지 블랭크.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않고 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 폴리에스테르인, 판지 블랭크.
  4. 제1항에 있어서, 상기 판지 기재의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나는 점토로 적어도 부분적으로 코팅되는, 판지 블랭크.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 상기 제1 중합체 층 내의 어떠한 중합체 성분의 유리 전이 온도보다도 적어도 5℉ 더 높은 유리 전이 온도를 갖는, 판지 블랭크.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 또는 상기 제2 중합체 층은 비닐리덴 클로라이드 삼원공중합체를 포함하는, 판지 블랭크.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 또는 상기 제2 중합체 층은 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는, 판지 블랭크.
  8. 제1 면 및 제2 면을 갖는 판지 기재;
    상기 판지 기재의 제1 면의 적어도 일부분 상에 배치되는 제1 중합체 층; 및
    상기 판지 기재의 제2 면의 적어도 일부분 상에 배치되는 제2 중합체 층을 포함하며, 상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 스티렌 아크릴인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함하고, 상기 제2 중합체 층은 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 적어도 15℉ 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체 성분을 추가로 포함하는, 판지 블랭크.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 적어도 15℉ 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 폴리에스테르인, 판지 블랭크.
  10. 제8항에 있어서, 상기 판지 기재의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나는 탄산칼슘으로 적어도 부분적으로 코팅되는, 판지 블랭크.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 또는 상기 제2 중합체 층은 비닐리덴 클로라이드 삼원공중합체를 포함하는, 판지 블랭크.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 또는 상기 제2 중합체 층은 폴리비닐리덴 클로라이드를 포함하는, 판지 블랭크.
  13. 제1 면 및 제2 면을 갖는 측벽을 포함하며, 제1 중합체 층이 상기 측벽의 제1 면의 적어도 일부분 상에 배치되고, 제2 중합체 층이 상기 측벽의 제2 면의 적어도 일부분 상에 배치되며,
    상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 열가소성인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함하고, 상기 제2 중합체 층은, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않고 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체 성분을 추가로 포함하는, 컵.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 스티렌 아크릴을 포함하는, 컵.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않고 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 폴리에스테르인, 컵.
  16. 제13항에 있어서, 상기 측벽의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나는 탄산칼슘으로 적어도 부분적으로 코팅되는, 컵.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 상기 제1 중합체 층 내의 어떠한 중합체 성분의 유리 전이 온도보다도 적어도 15℉ 더 높은 유리 전이 온도를 갖는, 컵.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 또는 상기 제2 중합체 층은 비닐리덴 클로라이드 삼원공중합체를 포함하는, 컵.
  19. 제13항에 있어서, 상기 측벽의 하부 에지에 근접하게 고정된 저부 패널을 추가로 포함하며, 상기 제2 중합체 층은 상기 측벽의 제1 표면의 하부 에지와 접촉 상태에 있는 상기 저부 패널의 적어도 일부분 상에 배치되는, 컵.
  20. 제1 면 및 제2 면을 갖는 측벽; 및
    상기 측벽의 하부 에지에 근접하게 고정된 저부 패널을 포함하며, 제1 중합체 층이 상기 측벽의 제1 면 상에 배치되고, 제2 중합체 층이, 상기 제1 중합체 층이 상부에 배치된 상기 측벽의 에지와 접촉하고 있는 상기 저부 패널의 적어도 일부분 상에 배치되고,
    상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 열가소성인 적어도 하나의 중합체 성분을 포함하고, 상기 제2 중합체 층은, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않고 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체 성분을 추가로 포함하는, 컵.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 및 상기 제2 중합체 층 둘 모두는 스티렌 아크릴을 포함하는, 컵.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않고 상기 제1 중합체 층의 중합체 성분들보다 더 높은 유리 전이 온도를 갖는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 폴리에스테르인, 컵.
  23. 제20항에 있어서, 상기 측벽의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나는 탄산칼슘으로 적어도 부분적으로 코팅되는, 컵.
  24. 제20항에 있어서, 상기 제1 중합체 층에 존재하지 않는 상기 제2 중합체 층 내의 상기 중합체 성분은 상기 제1 중합체 층 내의 어떠한 중합체 성분의 유리 전이 온도보다도 적어도 15℉ 더 높은 유리 전이 온도를 갖는, 컵.
  25. 제20항에 있어서, 상기 제1 중합체 층 또는 상기 제2 중합체 층은 비닐리덴 클로라이드 삼원공중합체를 포함하는, 컵.
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