KR20220025736A - 포장재용 가스 배리어 필름 - Google Patents

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KR20220025736A
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이사벨 크노스
아사 니플로트
크리스 본너러프
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스토라 엔소 오와이제이
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Abstract

본 발명은 종이 또는 판지 기반의 포장재용 가스 배리어 필름에 관한 것이고, 상기 가스 배리어 필름은 다음을 포함한다: 적어도 하나의 표면이 금속화된 마이크로피브릴화 셀룰로스 층(MFC 층); 및 MFC 층의 적어도 하나의 표면 상에 배치된 중합체 분산액 코팅 층. 본 발명은 또한 가스 배리어 필름을 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재, 용기 및 카톤 블랭크, 및 가스 배리어 필름 제조 방법에 관한 것이다.

Description

포장재용 가스 배리어 필름
본 개시내용은 종이 및 판지 기반의 포장재용 가스 배리어 필름에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 높은 상대 습도(relative humidity, RH)에서 양호하고 안정한 산소 투과율(oxygen transmission rate, OTR)을 갖는 마이크로피브릴화 셀룰로스 기반의 가스 배리어 필름에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 배리어 필름을 포함하는 종이 및 판지 기반의 포장재 및 이러한 배리어 필름 제조 방법에 관한 것이다.
종이 및 판지를 플라스틱으로 코팅하는 것은 판지의 기계적 특성을 플라스틱 필름의 차단성 및 밀봉 특성과 조합하기 위해 흔히 사용된다. 비교적 적은 양의 적합한 플라스틱 재료가 제공된 판지는 예를 들어 액체 포장 보드와 같은 많은 까다로운 응용 분야에 적합한 판지를 제조하기 위해 필요한 특성을 제공할 수 있다. 액체 포장 보드에서, 폴리올레핀 코팅은 액체 배리어 층 열 밀봉 층 및 접착제로서 자주 사용된다. 그러나, 중합체를 섬유로부터 분리하기 어렵기 때문에 이러한 중합체 코팅 보드의 재활용이 어렵다.
많은 경우에 중합체 코팅 판지의 가스 차단 특성은 여전히 불충분하다. 따라서, 허용 가능한 가스 차단 특성을 보장하기 위해 중합체 코팅 판지에는 흔히 하나 이상의 알루미늄 호일 층이 제공된다. 그러나, 높은 탄소 발자국으로 인해 일반적으로 포장재, 특히 액체 포장 보드에서 알루미늄 호일을 대체하고자 하는 바람이 있다.
보다 최근에, 마이크로피브릴화 셀룰로스(microfibrillated cellulose, MFC) 필름이 개발되었고, 여기서 탈피브릴화 셀룰로스 피브릴은 예를 들어 물에 현탁된 후 재구성되고 함께 재결합되어 우수한 가스 차단 특성을 갖는 조밀한 필름을 형성한다. 불행히도, 이러한 MFC 필름의 가스 차단 특성은 고온 및 고습에서 저하되는 경향이 있다.
높은 상대 습도에서 산소, 공기 및 방향에 대한 가스 차단 특성을 개선하기 위한 많은 접근법이 조사 및 설명되었지만, 제안된 해결책의 대부분은 비용이 많이 들고 산업적 규모로 구현하기 어렵다. 한 가지 경로는 MFC 분산액이 실란 커플링제로 개질되는 EP2554589A1에 개시된 것과 같이 MFC 또는 나노셀룰로스를 개질하는 것이다. 또 다른 특허 출원, EP2551104A1은 MFC 및 더 높은 상대 습도에서 개선된 차단 특성을 갖는 폴리비닐 알코올(PVOH) 및/또는 폴리우론산의 사용을 교시한다. 또 다른 해결책은 높은 내수성 및/또는 낮은 수증기 투과율을 갖는 층으로 필름을 코팅하는 것이다. JP2000303386A는 예를 들어 MFC 필름에 코팅된 라텍스를 개시하는 반면, US2012094047A는 폴리올레핀 층으로 코팅될 수 있는 MFC와 같은 다당류와 혼합된 목재 가수분해물의 사용을 제안한다. 이러한 방법 이외에도, 피브릴 또는 피브릴과 공중합체의 가교 가능성이 조사되었다. 이는 필름의 내수성뿐만 아니라 수증기 투과율을 또한 향상시킨다. EP2371892A1 및 EP2371893A1은 각각 MFC와 금속 이온, 글리옥살, 글루타르알데하이드 및/또는 시트르산의 가교를 설명한다.
셀룰로스의 수분 민감도를 감소시키는 또 다른 방법은 셀룰로스를 소듐 퍼아이오데이트로 화학적으로 변형하여 디알데하이드 셀룰로스(dialdehyde cellulose, DAC)를 수득하는 것이다. 디알데하이드 셀룰로스의 피브릴화에 의해, 개선된 내습성을 갖는 배리어 필름이 제조될 수 있다. 그러나, 마이크로피브릴화 디알데하이드 셀룰로스(microfibrillated dialdehyde cellulose, DA-MFC)를 포함하는 분산액은 DA-MFC가 침전되고 분산액에서 이미 어느 정도 자발적으로 가교결합하여, 마이크로피브릴이 결합되거나 얽히게 하기 때문에 매우 불안정하다. 분산액의 불량한 안정성은 필름 중 DA-MFC의 농도 변화를 야기하여 불량한 필름 형성 및 차단 특성을 유발한다.
따라서, 허용 가능한 액체 및 산소 차단 특성을 유지하면서 액체 포장 보드에서 알루미늄 호일을 대체하기 위한 개선된 해결책에 대한 요구가 남아 있다. 동시에, 폴리올레핀 코팅을 사용된 액체 포장 보드 재료의 재펄프화 및 재활용을 용이하게 하는 대안으로 대체할 필요가 있다.
발명의 설명
본 개시내용의 목적은 액체 및 산소 차단 특성을 제공하기 위해 액체 포장 보드에서 일반적으로 사용되는 알루미늄 호일에 대한 대안을 제공하는 것이다.
본 개시내용의 추가 목적은 80% 상대 습도 및 23 ℃에서 표준 ASTM F-1927에 따라 측정된, 10 cc/m2/24h/atm 미만, 바람직하게는 5 cc/m2/24h/atm 미만, 가장 바람직하게는 2 cc/m2/24h/atm 미만의 산소 전달률(oxygen transfer rate, OTR)을 갖는, 알루미늄 호일이 없는 종이 또는 판지 기반의 포장재를 제공하는 것이다.
본 개시내용의 추가 목적은 30 % 미만, 바람직하게는 20 % 미만의 PTS RH 021/97에 따른 불량률을 갖는, 알루미늄 호일이 없는 종이 또는 판지 기반의 포장재를 제공하는 것이다.
본 개시내용의 추가 목적은 더 높은 상대 습도 및 온도에서도 개선된 차단 특성을 갖는, 마이크로피브릴화 셀룰로스를 포함하는 가스 배리어 필름을 제공하는 것이다.
본 개시내용의 추가 목적은 보드의 재펄프화를 용이하게 하는, 액체 포장 보드용 종이 또는 판지 기반의 포장재 또는 가스 배리어 필름을 제공하는 것이다.
위에 언급된 목적뿐만 아니라 본 개시내용에 비추어 당업자에 의해 실현될 다른 목적이, 본 개시내용의 다양한 양태에 의해 달성된다.
본원에 예시된 제1 양태에 따르면, 종이 또는 판지 기반의 포장재를 위한 가스 배리어 필름이 제공되고, 상기 가스 배리어 필름은 다음을 포함한다:
마이크로피브릴화 셀룰로스 층(MFC 층), 이의 적어도 하나의 표면은 금속화됨; 및
MFC 층의 적어도 하나의 표면에 배치된 중합체 분산액 코팅 층.
종이는 일반적으로 셀룰로스 섬유를 포함하는 기타 섬유질 물질로 얇은 시트로 제조된 재료를 지칭하며, 필기, 그림, 또는 인쇄에, 또는 포장재로서 사용된다.
판지는 일반적으로 상자 및 기타 유형의 포장에 사용되는 셀룰로스 섬유를 포함하는 강하고 두꺼운 종이 또는 판지를 지칭한다. 판지는 최종 사용 요건에 따라, 표백 또는 무표백, 코팅 또는 비코팅될 수 있고, 다양한 두께로 제조될 수 있다.
MFC는 종이 및 판지 포장재용 배리어 필름에 사용하기 위한 흥미로운 구성요소로 확인되었다. MFC 필름은 중간 온도 및 습도, 예를 들어 50% 상대 습도 및 23 ℃의 조건에서 낮은 산소 전달률을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 불행히도, 이러한 MFC 필름의 가스 차단 특성은 더 높은 온도 및 습도, 예를 들어 90% 상대 습도 및 38 ℃에서 크게 저하되는 경향이 있어, 필름을 많은 산업용 액체 포장 응용분야에 적합하지 않게 만든다.
본 발명자는 이제 MFC를 포함하는 종래 기술 적층물의 이러한 결점이 MFC 층을 포함하는 가스 배리어 필름에 의해 개선될 수 있음을 발견했으며, 이의 적어도 하나의 표면은 금속화 층이 MFC 층의 표면 상에 형성되도록 금속화되었고, 중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 적어도 하나의 표면 상에 배치된다.
금속화 층 및 중합체 분산액 코팅 층이 제공된 MFC 층을 포함하는 가스 배리어 필름은 우수한 액체 및 산소 차단 특성을 모두 제공한다. 이러한 적층물이 높은 습도 및 온도에서 나타내는 높은 산소 차단 특성이 특히 주목할 만하다. 용어 고습은 본 개시내용의 맥락에서 일반적으로 80% 초과의 상대 습도(RH)를 지칭한다. 용어 고온은 본 개시내용의 맥락에서 일반적으로 23 ℃ 초과의 온도를 지칭한다.
본 발명의 가스 배리어 필름은 80% 상대 습도 및 23 ℃에서 표준 ASTM F-1927에 따라 측정된, 10 cc/m2/24h/atm 미만, 바람직하게는 5 cc/m2/24h/atm 미만, 가장 바람직하게는 2 cc/m2/24h/atm 미만의 산소 전달률(OTR)을 갖는 종이 또는 판지 기반의 포장재 제조에 사용될 수 있다.
본 발명의 종이 또는 판지 기반의 포장재는 재활용 가능하며 30 % 미만, 바람직하게는 20 % 미만의 PTS RH 021/97에 따른 불량률을 추가로 제공할 수 있다.
이는 본 발명의 가스 배리어 필름을 액체 및 산소 차단 특성을 제공하기 위해 액체 포장 보드에 일반적으로 사용되는 알루미늄 호일 층에 대한 흥미롭고 실행 가능한 대안으로 만든다.
본 발명의 가스 배리어 필름은 액체 포장재를 위한 배리어 층에 흔히 사용되는 임의의 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅 없이 실현될 수 있다는 점에서 더욱 유리하다. 대신, 본 발명의 가스 배리어 필름은 섬유질 종이 및 판지 재료로부터 더 쉽게 분리되어 보드의 재펄프화를 용이하게 하는 중합체 분산액 코팅을 사용한다.
[MFC]
마이크로피브릴화 셀룰로스(MFC)는 특허 출원의 맥락에서 100 nm 미만의 적어도 하나의 치수를 갖는 나노 규모 셀룰로스 입자 섬유 또는 피브릴을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. MFC는 부분적으로 또는 전체적으로 피브릴화 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 섬유를 포함한다. 유리된 피브릴은 100 nm 미만 직경을 갖는 반면, 실제 피브릴 직경 또는 입자 크기 분포 및/또는 종횡비(길이/너비)는 출처 및 제조 방법에 따라 다르다. 가장 작은 피브릴은 근원 피브릴로 지칭되며 약 2-4 nm의 직경을 갖는 한편 (예를 들어 Chinga-Carrasco, G., Cellulose fibres, nanofibrils and microfibrils,: The morphological sequence of MFC components from a plant physiology and fibre technology point of view, Nanoscale research letters 2011, 6:417 참조), 마이크로피브릴로도 정의된 근원 피브릴의 응집된 형태가 (Fengel, D., Ultrastructural behavior of cell wall polysaccharides, Tappi J., March 1970, Vol 53, No. 3.), 예를 들어 확장된 정제 공정 또는 압력 강하 분해 공정을 사용하여 MFC를 제조 시 수득되는 주생성물인 것이 일반적이다. 출처 및 제조 공정에 따라, 피브릴의 길이는 약 1 내지 10 마이크로미터 초과로 다양할 수 있다. 조질 MFC 등급은 상당한 분율의 피브릴화 섬유, 즉 가도관으로부터 돌출된 피브릴(셀룰로스 섬유)과, 가도관으로부터 유리된 특정 양의 피브릴(셀룰로스 섬유)을 포함할 수 있다.
셀룰로스 마이크로피브릴, 피브릴화 셀룰로스, 나노피브릴화 셀룰로스, 피브릴 응집체, 나노규모 셀룰로스 피브릴, 셀룰로스 나노섬유, 셀룰로스 나노피브릴, 셀룰로스 마이크로섬유, 셀룰로스 피브릴, 마이크로피브릴 셀룰로스, 마이크로피브릴 응집체 및 셀룰로스 마이크로피브릴 응집체와 같은 MFC에 대한 여러 상이한 약어가 존재한다. MFC는 또한 넓은 표면적 또는 물에 분산될 때 낮은 고형분(1-5 wt%)에서 겔 유사 물질을 형성하는 능력과 같은 다양한 물리적 또는 물히화학적 특성을 특징으로 할 수 있다. 셀룰로스 섬유는 바람직하게는 형성된 MFC의 최종 비표면적이 BET 방법으로 동결 건조된 재료에 대해 결정될 때 약 1 내지 약 200 m2/g, 또는 더욱 바람직하게는 50-200 m2/g이 되도록 하는 정도로 피브릴화된다.
단일 또는 다중 통과 정제, 사전 가수분해에 이은 정제 또는 고전단 분해 또는 피브릴의 유리와 같은 MFC 제조를 위한 다양한 방법이 존재한다. MFC를 에너지 효율적이고 지속 가능하게 만들기 위해 일반적으로 하나 이상의 전처리 단계가 필요하다. 따라서 이용될 펄프의 셀룰로스 섬유는, 섬유를 가수분해 또는 팽윤시키기 위해 또는 헤미셀룰로스 또는 리그닌의 양을 감소시키기 위해, 예를 들어 효소적으로 또는 화학적으로 전처리될 수 있다. 셀룰로스 섬유는 셀룰로스 분자가 천연 셀룰로스에서 발견되는 것과 다른 (또는 더 많은) 작용기를 포함하도록 피브릴화 전에 화학적으로 변형될 수 있다. 이러한 기는 특히, 카르복시메틸(CMC), 알데하이드 및/또는 카르복실 기(N-옥실 매개 산화에 의해 수득된 셀룰로스, 예를 들어 "TEMPO"), 사차 암모늄(양이온 셀룰로스) 또는 포스포릴 기를 포함한다. 전술한 방법 중 하나로 변형 또는 산화된 후, 섬유를 MFC 또는 나노피브릴로 분리하는 것이 더 용이하다.
나노피브릴 셀룰로스는 일부 헤미셀룰로스를 포함할 수 있고, 이의 양은 식물 공급원에 따라 다르다. 예를 들어 가수분해된, 사전 팽윤된 또는 산화된 셀룰로스 원료인 전처리된 섬유의 기계적 분해는 정제기, 분쇄기, 균질화기, 충돌기, 마찰 분쇄기, 초음파 소니케이터, 유동화기, 예컨대 미세유동화기, 거대유동화기 또는 유동화기 유형 균질화기와 같은 적합한 장비로 수행된다. MFC 제조 방법에 따라, 생성물은 미분, 또는 나노결정질 셀룰로스, 또는 목재 섬유에 또는 제지 공정에 존재하는 기타 화학물질을 또한 포함할 수 있다. 생성물은 또한 효율적으로 피브릴화되지 않은 다양한 양의 마이크론 크기 섬유 입자를 포함할 수 있다.
MFC는 경목 또는 연목 섬유 모두로부터, 목재 셀룰로스 섬유로부터 제조된다. 이는 또한 미생물 공급원, 농업적 섬유, 예컨대 밀짚 펄프, 대나무, 버개스 또는 기타 비목재 섬유 공급원으로부터 제조될 수 있다. 이는 바람직하게는 순수 섬유, 예를 들어 기계적, 화학적 및/또는 열기계적 펄프로부터의 펄프를 포함하는 펄프로부터 제조된다. 이는 또한 파쇄된 또는 재활용된 종이로부터 제조될 수 있다.
MFC의 전술한 정의는 5-30 nm의 폭으로 높은 종횡비 및 일반적으로 50 초과의 종횡비를 갖는, 결정질 및 비정질 영역 모두가 있는 다수의 근원 피브릴을 포함하는 셀룰로스 나노섬유 재료를 한정하는 셀룰로스 나노피브릴(CNF)에 대한 TAPPI 표준 W13021을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 가스 배리어 필름의 MFC 층의 MFC는 비변형 MFC 또는 화학적으로 변형된 MFC, 또는 이들의 혼합일 수 있다. 일부 구체예에서, MFC는 비변형 MFC이다. 비변형 MFC는 비변형 또는 천연 셀룰로스 섬유로 제조된 MFC를 지칭한다. 비변형 MFC는 단일 유형의 MFC일 수 있거나, 예를 들어 셀룰로스 원료 또는 제조 방법의 선택이 상이한 두 가지 이상의 유형의 MFC의 혼합물을 포함할 수 있다. 화학적으로 변형된 MFC는 피브릴화 전, 동안 또는 후에 화학적 변형을 겪은 셀룰로스 섬유로 제조된 MFC를 지칭한다. 일부 구체예에서, MFC는 화학적으로 변형된 MFC이다. 화학적으로 변형된 MFC는 단일 유형의 화학적으로 변형된 MFC일 수 있거나, 예를 들어 화학적 변형의 유형, 셀룰로스 원료 또는 제조 방법의 선택이 상이한 두 가지 이상의 유형의 화학적으로 변형된 MFC의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 화학적으로 변형된 MFC는 마이크로피브릴화 디알데하이드 셀룰로스(DA-MFC)이다. DA-MFC는 마이크로피브릴화된, 이러한 방식으로 처리된 디알데하이드 셀룰로스이다. 디알데하이드 셀룰로스는 셀룰로스의 산화에 의해 수득될 수 있다. 마이크로피브릴화 디알데하이드 셀룰로스는 예를 들어 균질화기에 의해 또는 피브릴화가 일어나 마이크로피브릴화 디알데하이드 셀룰로스를 생성하도록 하는 임의의 다른 방식으로 디알데하이드 셀룰로스를 처리하여 수득될 수 있다. 일부 구체예에서, MFC 층의 MFC는 0-80 wt% DA-MFC를 포함하고, 나머지는 비변형 MFC이다.
MFC 층은 MFC만으로 구성될 수 있거나, MFC와 다른 성분 또는 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 발명의 가스 배리어 필름의 MFC 층은 바람직하게는 MFC 층의 총 건조 중량을 기준으로 주성분으로서 MFC를 포함한다. 일부 구체예에서, MFC 층은 MFC 층의 총 건조 중량을 기준으로 50 wt% 이상, 바람직하게는 70 wt% 이상, 더욱 바람직하게는 80 wt% 이상의 MFC를 포함한다.
MFC 층의 배합은 의도된 용도와 완성된 다층 포장재에 존재하는 다른 층에 따라 달라질 수 있다. MFC 층의 배합은 또한 의도된 응용 방식 또는 MFC 층의 형성, 예를 들어 기재에 대한 MFC 분산액의 코팅 또는 기재에 적층하기 위한 독립형 MFC 필름의 형성에 따라 달라질 수 있다. MFC 층은 제품의 최종 성능 또는 코팅 가공을 개선하기 위해 다양한 양의 광범위한 성분을 포함할 수 있다. MFC 층은 첨가제, 예컨대 전분, 카르복시메틸 셀룰로스, 충전제, 보유 화학물질, 응집 첨가제, 분산 첨가제, 건조 강도 첨가제, 연화제, 또는 이들의 혼합을 추가로 포함할 수 있다. MFC 층은 혼합물 및/또는 생성된 필름의 여러 상이한 특성을 개선할 첨가제, 예컨대 필름의 연성을 향상시키기 위한 라텍스 및/또는 폴리비닐 알코올(PVOH)을 추가로 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, MFC 층은 중합체 결합제를 추가로 포함된다. 일부 바람직한 구체예에서, MFC 층은 PVOH를 추가로 포함한다. PVOH는 단일 유형의 PVOH일 수 있거나, 예를 들어 가수분해 또는 점도의 정도가 상이한 두 가지 이상의 유형의 PVOH의 혼합물을 포함할 수 있다. PVOH는 예를 들어 80-99 mol% 범위, 바람직하게는 88-99 mol% 범위의 가수분해도를 가질 수 있다. 또한, PVOH는 바람직하게는 20 ℃ DIN 53015 / JIS K 6726에서 4 % 수용액에서 5 mPa×s 이상의 점도를 가질 수 있다.
일부 구체예에서, MFC 층은 안료를 추가로 포함한다. 안료는 예를 들어 활석, 규산염, 탄산염, 알칼리 토금속 탄산염 및 탄산 암모늄, 또는 산화물, 예컨대 전이 금속 산화물 및 기타 금속 산화물의 무기 입자를 포함할 수 있다. 안료는 또한 예를 들어 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 카올리카이트, 헥토라이트 및 할리오사이트를 포함하는 군으로부터 선택된 층상 미네랄 실리케이트의 나노클레이 및 나노입자와 같은 나노 크기 안료를 포함할 수 있다.
일부 바람직한 구체예에서, 안료는 층상 미네랄 실리케이트의 나노클레이 및 나노입자, 더욱 바람직하게는 벤토나이트로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명의 가스 배리어 필름의 MFC 층의 평량(두께에 상응함)은 바람직하게는 55 gsm (제곱미터당 그램) 미만 범위이다. MFC 층의 평량은 예를 들어 그 제조 방식에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 기재에 대한 MFC 분산액의 코팅은 더 얇은 층을 생성할 수 있는 반면, 기재에 적층하기 위한 독립형 MFC 필름의 형성은 더 두꺼운 층을 필요로 할 수 있다. 일부 구체예에서, MFC 층의 평량은 5-50 gsm 범위이다. 일부 구체예에서, MFC 층의 평량은 5-20 gsm 범위이다.
MFC 층 자체는, 일반적으로 90% 상대 습도 및 38 ℃에서, 200 cc/m2/24h/atm 초과 또는 1000 cc/m2/24h/atm 초과의 표준 ASTM F-1927에 따라 측정된 산소 전달률(OTR)을 갖는다.
[금속화]
MFC 층의 적어도 하나의 표면은 금속화, 즉 MFC 표면 상의 금속 또는 금속 산화물의 얇은 층의 증착을 거친다. MFC 표면 상의 금속 또는 금속 산화물의 얇은 층은 또한 본원에서 "금속화 층"으로 지칭된다. 일부 구체예에서, MFC 층의 표면 중 단지 하나만이 금속화를 거쳤다. 일부 구체예에서, MFC 층의 두 표면 모두가 금속화를 거쳤다.
산소 차단 특성은 일반적으로 금속화 코팅에 의해 추가로 개선되지 않는다. 사실, 더 높은 평량의 고밀도 사전 코팅된 종이를 금속화할 때 산소 차단 특성 저하가 이전에 관찰되었다.
"금속화 층"은 예를 들어 산소, 물, 수증기 및 빛에 대한 투과성을 감소시키는 차단 특성을 제공하는 금속 또는 금속 산화물의 얇은 층이다.
일부 구체예에서, MFC 층의 금속화된 표면은 MFC 층 상의 금속 또는 금속 산화물의 기상 증착에 의해, 바람직하게는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)에 의해, 더욱 바람직하게는 MFC 층 상의 금속 또는 금속 산화물 층의 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 형성된다.
일부 구체예에서, 금속화 층의 금속 또는 금속 산화물은 알루미늄, 마그네슘, 규소, 구리, 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물, 규소 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직한 구체예에서, 금속 또는 금속 산화물은 알루미늄이다.
얇은 기상 증착된 층은 일반적으로 단지 나노미터-두께이며, 즉 예를 들어 1 내지 500 nm (50 내지 5000 A), 바람직하게는 1 내지 200 nm, 더욱 바람직하게는 1 내지 100 nm, 가장 바람직하게는 1 내지 50 nm의 나노미터 정도의 두께를 갖는다.
때때로 이의 차단 특성, 특히 수증기 차단 특성을 위해 사용되는 기상 증착 코팅의 한 유형은 알루미늄 금속 물리적 기상 증착(PVD) 코팅이다. 실질적으로 알루미늄 금속으로 구성된 이러한 코팅은 전형적으로 10 내지 50 nm의 두께를 가질 수 있다. 알루미늄 금속 재료의 1 % 미만에 해당하는 금속화 층의 두께는 전형적으로 포장을 위한 통상적인 두께, 즉 6.3 μm의 알루미늄 호일에 존재한다.
일부 구체예에서, 금속화 층은 10-100 nm 범위, 바람직하게는 20-50 nm 범위의 층 두께를 갖는다.
일부 구체예에서, 금속화 층은 50 - 250 mg/m2 평량,바람직하게는 75 - 150 mg/m2 평량을 갖는다.
[분산액 코팅]
증착 금속 코팅은 훨씬 적은 금속 재료를 필요로 하지만, 이들은 일반적으로 기껏해야 낮은 수준의 산소 차단 특성만을 제공하며, 충분한 차단 특성을 갖는 최종 적층 재료를 제공하기 위해 추가의 가스 배리어 재료와 조합될 필요가 있다.
본 발명의 가스 배리어 필름의 높은 습도에서의 놀랍게도 예외적인 차단 특성은 MFC 층의 금속화 및 MFC 층의 적어도 하나의 표면 상에 배치된 중합체 분산액 코팅 층의 조합의 결과이다.
중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 금속화된 표면, 비-MFC 층의 금속화된 표면, 또는 둘 모두에 배치될 수 있다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅 층은 금속화된 MFC 층의 적어도 하나의 표면 상에 배치된다. MFC 층의 두 표면이 금속화를 거치는 구체예에서, 중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 금속화된 표면의 하나 또는 둘 모두에 배치될 수 있다. 금속화는 인접한 유기 중합체 층 및 필름에 매우 양호한 접착 특성을 제공하는 것으로 입증되어, 추가의 프라이머 또는 접착제가 적층된 포장재에서 이들 및 인접한 층 사이에서 사용될 필요가 없다.
중합체 분산액 코팅 층은 액체 매질 또는 용매 중의 적합한 중합체 중의 분산액의 형태로, MFC 층에 제공되고, 후속적으로 얇은 코팅으로 건조된다. 분산액 또는 용액이 균질하고 안정하여, 균일한 차단 특성을 갖는 균일한 코팅을 생성하는 것이 중요하다. 이러한 분산액 코팅된 층은 m2당 10분의 1 그램까지 매우 얇게 제조될 수 있으며, 분산액 또는 용액이 균질하고 안정하다면 고품질의 균질한 층을 제공할 수 있다. 더욱이, 수분산성 중합체로부터의 이러한 분산액 코팅된 층은 흔히 인접한 층에 양호한 내부 접착력을 제공하고, 이는 최종 포장재의 양호한 무결성에 기여한다.
중합체는 예를 들어 비닐 알코올 기반 중합체, 예컨대 PVOH 또는 수분산성 EVOH, 아크릴산 또는 메타크릴산 기반 중합체(PAA, PMAA), 다당류, 예컨대 예를 들어 녹말 또는 녹말 유도체, 셀룰로스 나노피브릴(CNF), 나노결정질 셀룰로스 (NCC), 키토산, 헤미셀룰로스 또는 기타 셀룰로스 유도체, 수분산성 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC) 또는 수분산성 폴리에스테르, 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅은 라텍스, 폴리비닐 알코올, 또는 폴리올레핀 분산액 코팅이다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅은 폴리올레핀 분산액, 바람직하게는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체의 분산액이다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅은 스타이렌-아크릴(SA) 또는 스타이렌-부타디엔(SB) 라텍스 코팅이다.
일부 구체예에서, 라텍스 코팅은 10 ℃ 미만, 바람직하게는 0 ℃ 미만, 더욱 바람직하게는 -10 ℃ 미만의 Tg를 갖는다. 이는 MFC 층에 대한 중합체 분산액 코팅의 접착력을 개선하고, MFC 층과 종이 또는 판지 기재 사이에 배치된 접착성 중합체 층으로서 사용될 때, 기재에 대한 MFC 필름의 접착력을 개선하는 것으로 밝혀졌다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅은 안료를 추가로 포함한다. 안료는 재료의 재펄프화를 용이하게 하고 또한 적층된 층이 함께 융합될 때 적층물의 캘린더링(calendaring)에서 더 높은 온도의 사용을 가능하게 한다. 그러나, 안료의 양은 바람직하게는 기재와 MFC 필름 사이의 접착이 가능하도록 낮은 수준을 유지해야 한다. 일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅은 중합체 분산액 코팅의 총 건조 중량을 기준으로 1-30 wt%, 바람직하게는 1-20 wt%, 더욱 바람직하게는 2-10 wt%의 양의 안료를 추가로 포함한다.
따라서 이러한 배리어 중합체는 액체 필름 코팅 공정에 의해, 즉 수성 또는 용매 기반의 분산액 또는 용액 형태로 적합하게 적용되며, 이는 적용 시 기재 상의 얇고 균일한 층으로 퍼진 후 건조된다.
일부 구체예에서, 가스 배리어 필름에서 중합체 분산액 코팅 층의 평량은 1-10 gsm, 바람직하게는 1-7 gsm, 더욱 바람직하게는 1-5 gsm 범위이다.
본 발명의 가스 배리어 필름은 바람직하게는 액체 포장재용 배리어 층에서 흔히 사용되는 임의의 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅 없이 실현된다. 대신, 본 발명의 가스 배리어 필름은 섬유질 종이 및 판지 재료로부터 더 쉽게 분리되어 보드의 재펄프화를 용이하게 하는 중합체 분산액 코팅을 사용한다. 그러나, 가스 배리어 필름을 중합체 분산액 형태로 제공되지 않은 중합체 층과 조합하는 것이 또한 가능하다.
[선택적 중합체 층 (예를 들어 압출 코팅된 PE)]
따라서, 중합체 분산액 층 이외에도, 가스 배리어 필름은 중합체 분산액 형태로 제공되지 않은 중합체 층을 또한 포함할 수 있다.
중합체 층은 일반적으로 종이 또는 판지 기반의 포장재에서 흔히 사용되는 임의의 중합체 또는 특히 액체 포장 보드에서 사용된 중합체를 포함할 수 있다. 예는 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아크릴산(PLA)을 포함한다. 폴리에틸렌, 특히 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 액체 포장 보드에서 사용되는 가장 일반적이고 다양한 중합체이다.
가스 배리어 필름의 중합체 층은 바람직하게는 열가소성 중합체를 포함한다. 일부 구체예에서, 중합체 층은 폴리올레핀을 포함한다. 열가소성 중합체, 특히 폴리올레핀은 압출 코팅 기술에 의해 편리하게 가공되어 양호한 액체 차단 특성을 갖는 매우 얇고 균질한 필름을 형성할 수 있기 때문에 유용하다. 일부 구체예에서, 중합체 층은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함한다. 바람직한 구체예에서, 중합체 층은 폴리에틸렌, 더욱 바람직하게는 LDPE 또는 HDPE를 포함한다.
중합체 층은 동일한 중합체 수지 또는 상이한 중합체 수지로 형성된 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서 중합체 층은 둘 이상의 상이한 중합체 수지의 혼합물을 포함한다. 일부 구체예에서 중합체 층은 둘 이상의 층으로 구성된 다층 구조물이고, 여기서 제1 층은 제1 중합체 수지로 구성되고 제2 층은 제1 중합체 수지와 상이한 제2 중합체 수지로 구성된다.
일부 구체예에서, 중합체 층은 MFC 층의 표면에 중합체를 압출 코팅하여 형성된다. 압출 코팅은 용융된 플라스틱 재료가 종이 또는 판지와 같은 기재에 적용되어 매우 얇고 매끄럽고 균일한 층을 형성하는 공정이다. 코팅은 압출된 플라스틱 자체에 의해 형성될 수 있거나, 용융된 플라스틱이 접착제로서 사용되어 고체 플라스틱 필름을 기재에 적층할 수 있다. 압출 코팅에서 사용되는 일반적인 플라스틱 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함한다.
본 발명의 가스 배리어 필름의 중합체 층의 평량(두께에 상응)은 바람직하게는 50 gsm(제곱미터당 그램) 미만이다. 연속적이고 실질적으로 결함이 없는 필름을 달성하기 위해, 8 gsm 이상, 바람직하게는 12 gsm 이상의 중합체 층의 평량이 일반적으로 필요하다. 일부 구체예에서, 중합체 층의 평량은 8-50 gsm 범위, 바람직하게는 12-50 gsm 범위이다.
본 발명의 가스 배리어 층은 바람직하게는 종이 또는 판지 기반의 포장재에서, 특히 액체의 포장 또는 액체 포함 제품에서 사용하기 위한 액체 포장 보드 (liquid packaging board, LPB)에서 가스 배리어 층으로서 사용될 수 있다. 따라서, 본원에 예시된 제2 양태에 따르면, 다음을 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재가 제공된다:
종이 또는 판지 기재; 및
다음을 포함하는 가스 배리어 필름:
마이크로피브릴화 셀룰로스 층(MFC 층), 이의 적어도 하나의 표면은 금속화됨; 및
MFC 층의 적어도 하나의 표면에 배치된 중합체 분산액 코팅 층.
제2 양태에 따른 종이 또는 판지 기반의 포장재의 가스 배리어 필름은 제1 양태를 참조하여 상기 제시된 바와 같이 추가로 정의될 수 있다.
일부 구체예에서, MFC 층은, 예를 들어 MFC 및 결합제가 기재에 코팅으로서 적용될 때 또는 MFC가 기재에 웨트 레이드(wet laid)될 때, 종이 또는 판지 기재에 직접 부착된다. 따라서, 일부 구체예에서 가스 배리어 필름의 MFC 층은 기재와 직접 접촉한다.
다른 구체예에서, 예를 들어 MFC 층 또는 가스 배리어 필름이 기재와 MFC 층 사이에 배치된 접착성 중합체 층을 사용하여 기재에 적층될 때, MFC 층은 종이 또는 판지 기재에 간접적으로 부착된다. 따라서, 일부 구체예에서 종이 또는 판지 기반의 포장재는 기재와 가스 배리어 필름의 MFC 층 사이에 배치된 접착성 중합체 층을 추가로 포함한다.
본 발명의 가스 배리어 필름은 바람직하게는 액체 포장재용 배리어 층에서 흔히 사용되는 임의의 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅 없이 실현된다. 대신, 본 발명의 가스 배리어 필름은 섬유질 종이 및 판지 재료로부터 더 쉽게 분리되어 보드의 재펄프화를 용이하게 하는 중합체 분산액 코팅을 사용한다. 그러나, 가스 배리어 필름을 중합체 분산액 형태로 제공되지 않은 중합체 층과 조합하는 것이 또한 가능하다.
일부 구체예에서, 접착성 중합체 층은 가스 배리어 필름의 중합체 분산액 코팅 층이다. 다시 말해서, 가스 배리어 필름의 분산액 코팅 층은 가스 배리어 필름의 MFC 층과 기재 사이에 끼워진다.
일부 구체예에서, 접착성 중합체 층은 폴리에틸렌을 포함한다. 폴리에틸렌은 압출 코팅 기술에 의해 편리하게 가공되어 양호한 액체 차단 특성을 갖는 매우 얇고 균질한 필름을 형성할 수 있기 때문에 유용하다. MFC 층 또는 전체 가스 배리어 필름은 이후 압출 코팅 적층 공정에 의해 기재에 부착될 수 있다.
MFC 층 또는 가스 배리어 필름이 접착성 중합체 층을 사용하여 기재에 적층될 때, MFC 층의 적어도 하나의 금속화된 표면은 기재를 향하거나 반대 방향을 향할 수 있다. 바람직한 구체예에서, MFC 층의 적어도 하나의 금속화된 표면이 기재를 향한다. 이 구성에서, 금속화된 표면은 포장재를 패키지로 전환할 때 보호된다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 적어도 하나의 금속화된 표면에 배치된다.
종이 또는 판지 기반의 포장재 바람직하게는 가스 배리어 필름과 반대 방향을 향하는 기재 표면 상에 배치된 적어도 하나의 보호층을 추가로 포함한다.
일부 구체예에서, 종이 또는 판지 기반의 포장재는 가스 배리어 필름과 반대 방향을 향하는 기재 표면 상에 배치된 제1 보호층을 추가로 포함한다.
일부 구체예에서, 종이 또는 판지 기반의 포장재는 기재와 반대 방향을 향하는 가스 배리어 필름 표면 상에 배치된 제2 보호층을 추가로 포함한다.
본 발명의 가스 배리어 필름은 바람직하게는 액체 포장재용 배리어 층에서 흔히 사용되는 임의의 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅 없이 실현된다. 가스 배리어 필름은 대신 섬유질 종이 및 판지 재료로부터 더 쉽게 분리되어 보드의 재펄프화를 용이하게 하는 중합체 분산액 코팅을 사용한다.
바람직한 구체예에서, 전체 종이 또는 판지 기반의 포장재는 임의의 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅 없이 실현된다. 이러한 구체예에서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 바람직하게는 중합체 분산액 코팅에 의해 형성된다.
일부 구체예에서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 중합체 분산액 코팅, 바람직하게는 라텍스, 폴리비닐 알코올, 또는 폴리올레핀 분산액 코팅을 포함한다.
일부 구체예에서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 보호층의 총 건조 중량을 기준으로 30-70 wt%의 양의 안료를 추가로 포함한다.
일부 구체예에서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 적어도 둘의 하위층을 포함한다:
제1 하위층의 총 건조 중량을 기준으로 안료 30-70 wt%의 양의 안료가 있는 중합체 분산액 코팅을 포함하는 제1 하위층, 및
제2 하위층의 총 건조 중량을 기준으로 안료 0-70 wt%의 양의 안료가 있는 중합체 분산액 코팅을 포함하는 제2 하위층, 및
그러나, 가스 배리어 필름을 중합체 분산액 코팅 형태로 제공되지 않은 중합체 층과 조합하는 것이 또한 가능하다. 따라서, 일부 구체예에서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 열가소성 중합체를 포함한다. 일부 구체예에서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 폴리올레핀을 포함한다. 열가소성 중합체, 특히 폴리올레핀은 압출 코팅 기술에 의해 편리하게 가공되어 양호한 액체 차단 특성을 갖는 매우 얇고 균질한 필름을 형성할 수 있기 때문에 유용하다. 일부 구체예에서, 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함한다. 바람직한 구체예에서, 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 폴리에틸렌, 더욱 바람직하게는 LDPE 또는 HDPE를 포함한다.
보호층의 두께(평량)는 층이 포장재로 제조된 용기의 외부 또는 내부 표면을 형성하도록 의도되는지에 따라 선택된다. 예를 들어, 액체 포장 용기의 내부 표면은 액체 배리어 역할을 하기 위해 더 두꺼운 보호층을 필요로 할 수 있는 반면, 외부 표면에서 더 얇은 보호층이 충분할 수 있다.
본 발명에 포함되는 구체예 중 일부가 아래에 나열된다. 예를 들어 분산 코팅 또는 압출 코팅된 폴리에틸렌의 제1 및/또는 제2 보호층(들)이 또한 모든 구체예에서 추가될 수 있다. 최종 제품이 금속화된 MFC 층 및 금속화된 MFC 층과 접촉하는 분산액 코팅을 포함하는 한, 다른 추가 층이 또한 추가될 수 있다.
예시적인 구체예:
- MFC 층/금속화 층/분산액 코팅
- 분산액 코팅/MFC 층/금속화 층
- 판지/MFC 층/금속화 층/분산액 코팅
- 판지/PE (접착제)/MFC 층/금속화 층/분산액 코팅
- 판지/분산액 코팅/MFC 층/금속화 층
- 판지/분산액 코팅 /MFC 층/금속화 층/분산액 코팅
- 판지/PE (접착제)/금속화 층/MFC 층/분산액 코팅
- 판지/분산액 코팅/금속화 층/MFC 층
- 판지/분산액 코팅/금속화 층/MFC 층/분산액 코팅
금속화된 MFC 및 중합체 분산액 코팅 층을 포함하는 가스 배리어 필름의 사용은 우수한 액체 및 산소 차단 특성을 모두 제공한다. 이러한 적층물이 높은 습도 및 온도에서 나타내는 높은 산소 차단 특성이 특히 주목할 만하다. 일부 구체예에서, 본원에 개시된 제2 양태에 따른 종이 또는 판지 기반의 포장재는 80% 상대 습도 및 23 ℃에서 표준 ASTM F-1927에 따라 측정된 10 cc/m2/24h/atm 미만, 바람직하게는 5 cc/m2/24h/atm 미만, 가장 바람직하게는 2 cc/m2/24h/atm 미만의 산소 전달률(OTR)을 갖는다. 이는 본 발명의 가스 배리어 필름을 액체 및 산소 차단 특성을 제공하기 위해 액체 포장 보드에 일반적으로 사용되는 알루미늄 호일 층에 대한 흥미롭고 실행 가능한 대안으로 만든다.
일부 구체예에서, 종이 또는 판지 기반의 포장재에서 사용된 종이 또는 판지 기재는 20-500 g/m2 범위, 바람직하게는 80-400 g/m2 범위의 평량을 갖는다.
일부 구체예에서, 종이 또는 판지 기반의 포장재는 80% 상대 습도 및 23 ℃에서 표준 ASTM F-1927에 따라 측정된 10 cc/m2/24h/atm 미만, 바람직하게는 5 cc/m2/24h/atm 미만, 가장 바람직하게는 2 cc/m2/24h/atm 미만의 산소 전달률(OTR)을 갖는다.
일부 구체예에서, 종이 또는 판지 기반의 포장재는 재활용 가능하고 30 % 미만, 바람직하게는 20 % 미만의 PTS RH 021/97에 따른 불량률을 갖는다.
바람직한 구체예에서, 가스 배리어 필름 또는 종이 또는 판지 기반의 포장재는 액체 포장에서 액체 배리어 층 열 밀봉 층 및 접착제로서 전형적으로 사용되는 임의의 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅을 포함하지 않는다. 본 발명의 종이 또는 판지 기반의 포장재의 접착제 층 및 임의의 보호층은 대신에 바람직하게는 중합체 분산액 코팅 형태로 제공된다. 압출 코팅된 또는 적층 코팅된 폴리올레핀 코팅 대신 중합체 분산액 코팅의 사용은 종이 또는 판지 기반의 포장재의 재펄프화 및 재활용을 용이하게 한다.
본원에 예시된 제3 양태에 따르면, 제1 양태에 따른 가스 배리어 필름 또는 제2 양태에 따른 종이 또는 판지 기반의 포장재를 포함하는 카톤 블랭크가 제공된다.
본원에 예시된 제4 양태에 따르면, 용기, 특히 제1 양태에 따른 가스 배리어 필름 또는 제2 양태에 따른 종이 또는 판지 기반의 포장재를 포함하는 액체 포장 용기가 제공된다.
본원에 예시된 제5 양태에 따르면, 다음 단계를 포함하는, 종이 또는 판지 기반의 포장재용 가스 배리어 필름 제조 방법이 제공된다:
a) 마이크로피브릴화 셀룰로스의 층(MFC 층)을 제공하는 단계;
b) MFC 층의 적어도 하나의 표면이 금속화를 거치는 단계;
c) 금속화된 MFC 층의 표면 중 적어도 하나에 중합체 분산액 코팅 층을 적용하는 단계.
MFC, 금속화 및 중합체 분산액 코팅 층은 제1 양태의 가스 배리어 층과 관련하여 상기 제시된 바와 같이 추가로 정의될 수 있다.
일부 구체예에서, 방법은 단계 c 전, 동안 또는 후에 금속화된 MFC 층을 종이 또는 판지 기재에 적층하는 단계를 추가로 포함한다. 바람직한 구체예에서, MFC 층은 먼저 금속화된 다음 기재와 MFC 층 사이에 배치된 접착성 중합체 층을 사용하여 종이 또는 판지 기재에 적층된다.
일부 구체예에서, 단계 a)의 MFC 층은 종이 또는 판지 기재 상에 제공된다.
일부 구체예에서, MFC 층은, 예를 들어 MFC 및 결합제가 기재에 코팅으로서 적용될 때 또는 MFC가 기재에 웨트 레이드(wet laid)될 때, 종이 또는 판지 기재에 직접 부착된다. 따라서, 일부 구체예에서 가스 배리어 필름의 MFC 층은 기재와 직접 접촉한다. 바람직한 구체예에서, MFC 층은 MFC 코팅 조성물(예를 들어 MFC 분산액 또는 현탁액)로 코팅되고 이어서 건조 및/또는 경화하여 MFC 층을 형성함으로써 종이 또는 판지 기재 상에 제공된다.
다른 구체예에서, MFC 층은 종이 또는 판지 기재에 간접적으로 부착된다. 예를 들어, 일부 구체예에서 MFC 층은 기재와 MFC 층 사이에 배치된 접착성 중합체 층을 사용하여 MFC 층을 기재에 적층함으로써 종이 또는 판지 기재 상에 제공된다. 따라서, 일부 구체예에서 종이 또는 판지 기반의 포장재는 기재와 가스 배리어 필름의 MFC 층 사이에 배치된 접착성 중합체 층을 추가로 포함한다.
바람직한 구체예에서, 접착성 중합체 층은 단계 c)에서 적용된 중합체 분산액 코팅 층이다.
또 다른 바람직한 구체예에서, 접착성 중합체 층은 폴리에틸렌을 포함한다. 폴리에틸렌은 압출 코팅 기술에 의해 편리하게 가공되어 양호한 액체 차단 특성을 갖는 매우 얇고 균질한 필름을 형성할 수 있기 때문에 유용하다. MFC 층 또는 전체 가스 배리어 필름은 이후 적층 공정, 예를 들어 압출 코팅 적층 또는 접착에 의해 기재에 부착될 수 있다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 금속화된 표면에 적용된다.
일부 구체예에서, MFC 층의 마이크로피브릴화 셀룰로스(MFC)는 비변형 MFC 또는 변형 MFC, 또는 이들의 혼합이다.
일부 구체예에서, MFC 층은 MFC 층의 총 건조 중량을 기준으로 50 wt% 이상, 바람직하게는 70 wt% 이상, 더욱 바람직하게는 80 wt% 이상의 MFC를 포함한다.
일부 구체예에서, MFC 층은 폴리비닐 알코올(PVOH)을 추가로 포함한다.
일부 구체예에서, MFC 층은 안료, 바람직하게는 층상 미네랄 실리케이트의 나노클레이 및 나노입자, 더욱 바람직하게는 벤토나이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 안료를 추가로 포함한다.
일부 구체예에서, MFC 층의 평량은 55 gsm 미만의 범위, 바람직하게는 5-50 gsm 범위, 더욱 바람직하게는 5-20 gsm 범위이다.
일부 구체예에서, 금속화는 바람직하게는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)에 의한, MFC 층 상의 금속 또는 금속 산화물의 기상 증착을 포함한다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅은 라텍스, 폴리비닐 알코올, 또는 폴리올레핀 분산액 코팅이다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅 층은 100 ℃ 미만, 바람직하게는 80 ℃ 미만의 온도에서 MFC 층의 금속화된 표면에 적용된다.
일부 구체예에서, 중합체 분산액 코팅 층의 평량은 1-10 gsm 범위, 바람직하게는 1-7 gsm 범위, 더욱 바람직하게는 1-5 gsm 범위이다.
본 발명은 다양한 예시적 구체예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 그 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 추가로, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 방식으로 개시된 특정 구체예로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 구체예를 포함할 것으로 의도된다.
실시예
본 발명의 배리어 필름을 평가하기 위해, 본 발명의 필름을 포함하는 액체 포장 보드 구조물의 산소 투과율(OTR) 및 재활용성을 평가하는 테스트를 수행했다. 참조로서, 분산액 코팅 층 대신 폴리에틸렌 층을 포함하는 금속화된 MFC 필름을 포함하는 액체 포장 보드 구조물의 OTR 및 재활용성을 추가로 평가했다.
금속화된 MFC 필름의 제조
실시예에서 사용된 MFC 필름을 다음과 같이 제조했다: 소르비톨을 물에 첨가한 다음 60 ℃로 가열하고 30 분 동안 교반하여 50 % 소르비톨 용액을 제조했다. MFC 현탁액을 1 시간 동안 고전단 혼합으로 혼합한 후 소르비톨 용액을 첨가했다. 혼합물을 추가 1 시간 동안 혼합했다. 그 후 혼합물을 스피드 믹서를 사용하여 진공 보조 혼합에서 감압시켰다. 필름은 혼합물을 플라스틱 표면에 로드 코팅한 다음, 적어도 12 시간 동안 23 ℃의 온도에서 공기 건조를 위해 방치하여 제조되었다. 건조 후, 필름을 플라스틱 기재로부터 분리했다. 수득된 필름은 35 - 50 μm의 두께 및 약 50 gsm의 평량을 가졌다. 이들로 제조된 필름은 필름의 총 고체 함량에 대해 계산할 때 87 wt% MFC 및 13 wt% 소르비톨을 포함했다.
필름은 물리적 기상 증착을 사용하여 40 nm의 두께까지 알루미늄으로 금속화되었다.
액체 포장 보드(LPB) 적층물의 제조
이후 필름을 압출된 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)으로 LPB 구조물로 적층했다. 사용된 판지 기재는 240 gsm의 평량을 갖는 Stora Enso의 이중 미네랄 코팅된 Natura 200mN이었다.
본 발명의 샘플(샘플 1)을 다음과 같이 제조했다. 판지 기재는 SA 라텍스(약 5 gsm)로 로드 코팅되었고, 그 위에 금속화된 MFC 필름이 70 °에서 캘린더 닙에서 코팅된 기재에 적층되었다. 그 후 LDPE는 적층물의 양면에 압출 코팅되었다. MFC 필름은 LDPE(50 gsm) 층을 향한 금속화로 적용되었다.
따라서 본 발명의 샘플은 다음 구조를 형성했다:
샘플 1:
LDPE(15gsm)/판지/라텍스/MFC 필름/금속화 층/LDPE(50 gsm)
참조 샘플은 금속화된 MFC 필름을 압출된 LDPE로 판지 기재에 적층하여 제조되었다. 형성된 적층물은 그 후 LDPE의 양면에 압출 코팅되었다. MFC 필름은 금속화 층이 LDPE(50 gsm) 층을 향하도록 이 구조에 적용되었다.
따라서 참조 샘플은 다음 구조를 형성했다:
참조 1:
LDPE(15gsm)/판지/LDPE/ MFC 필름/금속화 층/LDPE (50gsm).
생성된 적층물(샘플 1 및 참조 1) 모두에 대해, LDPE(15 gsm)는 형성된 패키지의 외부 층을 형성하도록 의도된 반면, LDPE(50 gsm)는 포함된 액체를 향하는, 형성된 패키지의 내부 층을 형성하도록 의도된다.
적층물은 상대 80 %의 상대 습도에서 23 ℃에서 (23/80) ASTM F-1927 및 WVTR에 따라 OTR에 대해 평가되었다. 적층물은 측정 전 2 주 동안 측정할 기후에서 사전 컨디셔닝되었다. OTR 값은 측정 시간의 끝에서 모두 안정적이었다. PTS 방법 RH 021/197에 따라 재활용성 테스트를 수행했다. 결과는 표 1에 요약된다.
OTR [cc/m2/24h/atm] WVTR
[g/m2/일]		 불량률 [%]
샘플 1 18 2.0 26.2 +/- 4.4
참조 1 20 1.9 34.2 +/- 5.7
결과는 본 발명에 따라 제조된 샘플 및 참조에 대해 현저한 OTR 또는 WVTR 차이가 없었지만, 불량률이 8% 차이가 있음을 보여준다. 따라서, 놀랍게도 적층물 층에서 LDPE 대신 라텍스의 사용이 차단 특성에 영향을 미치지 않지만 불량률을 현저히 향상시킨다.

Claims (30)

  1. 종이 또는 판지 기반의 포장재용 가스 배리어 필름, 상기 가스 배리어 필름은 다음을 포함함:
    마이크로피브릴화 셀룰로스 층(MFC 층), 이의 적어도 하나의 표면은 금속화됨; 및
    MFC 층의 적어도 하나의 표면에 배치된 중합체 분산액 코팅 층.
  2. 제 1항에 있어서, MFC 층은 MFC 층의 총 건조 중량을 기준으로 50 wt% 이상, 바람직하게는 70 wt% 이상, 더욱 바람직하게는 80 wt% 이상의 MFC를 포함하는 가스 배리어 필름.
  3. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 층은 폴리비닐 알코올(PVOH)을 추가로 포함하는 가스 배리어 필름.
  4. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 층은 안료, 바람직하게는 층상 미네랄 실리케이트의 나노클레이 및 나노입자, 더욱 바람직하게는 벤토나이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 안료를 추가로 포함하는 가스 배리어 필름.
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 층의 평량은 55 gsm 미만의 범위, 바람직하게는 5-50 gsm 범위, 더욱 바람직하게는 5-20 gsm 범위인 가스 배리어 필름.
  6. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 층의 금속화된 표면은 MFC 층 상의 금속 또는 금속 산화물의 기상 증착에 의해, 바람직하게는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)에 의해 형성되는 가스 배리어 필름.
  7. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 층의 금속화된 표면은 알루미늄, 마그네슘, 규소, 구리, 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물, 규소 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 또는 금속 산화물, 바람직하게는 알루미늄을 포함하는 가스 배리어 필름.
  8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 층의 금속화된 표면은 10-100 nm 범위, 바람직하게는 20-50 nm 범위의 금속 층 두께를 갖는 가스 배리어 필름.
  9. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 분산액 코팅 층은 금속화된 MFC 층의 적어도 하나의 표면 상에 배치되는 가스 배리어 필름.
  10. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 분산액 코팅은 라텍스, 폴리비닐 알코올, 또는 폴리올레핀 분산액 코팅인 가스 배리어 필름.
  11. 제 11 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 라텍스 코팅은 10 ℃ 미만, 바람직하게는 0 ℃ 미만, 더욱 바람직하게는 -10 ℃ 미만의 Tg를 갖는 가스 배리어 필름.
  12. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 분산액 코팅은 중합체 분산액 코팅의 총 건조 중량을 기준으로 1-30 wt%, 바람직하게는 1-20 wt%, 더욱 바람직하게는 2-10 wt%의 양의 안료를 추가로 포함하는 가스 배리어 필름.
  13. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 분산액 코팅 층의 평량은 1-10 gsm 범위, 바람직하게는 1-7 gsm 범위, 더욱 바람직하게는 1-5 gsm 범위인 가스 배리어 필름.
  14. 다음을 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재:
    종이 또는 판지 기재; 및
    제 1항 내지 13항 중 어느 한 항에 따른 가스 배리어 필름.
  15. 제 14항에 있어서, 가스 배리어 필름의 분산액 코팅 층은 가스 배리어 필름의 MFC 층과 기재 사이에 끼워지는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  16. 제 14 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 적어도 하나의 금속화된 표면 상에 배치되는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  17. 제 14 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 배리어 필름과 반대 방향을 향하는 기재 표면 상에 배치된 제1 보호층을 추가로 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  18. 제 14 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 기재와 반대 방향을 향하는 가스 배리어 필름 표면 상에 배치된 제2 보호층을 추가로 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  19. 제 17 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 중합체 분산액 코팅, 바람직하게는 라텍스, 폴리비닐 알코올, 또는 폴리올레핀 분산액 코팅을 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 보호층의 총 건조 중량을 기준으로 30-70 wt%의 양의 안료를 추가로 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  21. 제 17 내지 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 적어도 둘의 하기 하위층을 포함하는 종이 또는 판지 기반의 포장재:
    제1 하위층의 총 건조 중량을 기준으로 안료 30-70 wt%의 양의 안료가 있는 중합체 분산액 코팅을 포함하는 제1 하위층, 및
    제2 하위층의 총 건조 중량을 기준으로 안료 0-70 wt%의 양의 안료가 있는 중합체 분산액 코팅을 포함하는 제2 하위층, 및
  22. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보호층 및/또는 제2 보호층은 열가소성 중합체, 바람직하게는 폴리올레핀을 포함하는 가스 배리어 필름.
  23. 제 16 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서, 80% 상대 습도 및 23 ℃에서 표준 ASTM F-1927에 따라 측정된, 10 cc/m2/24h/atm 미만, 바람직하게는 5 cc/m2/24h/atm 미만의 산소 전달률(OTR)을 갖는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  24. 제 16 내지 26항 중 어느 한 항에 있어서, 30 % 미만, 바람직하게는 20 % 미만의 PTS RH 021/97에 따른 불량률을 갖는 종이 또는 판지 기반의 포장재.
  25. 제 1 내지 24항 중 어느 한 항에 따른 가스 배리어 필름 또는 종이 또는 판지 기반의 포장재를 포함하는 용기.
  26. 다음 단계를 포함하는, 종이 또는 판지 기반의 포장재용 가스 배리어 필름 제조 방법:
    a) 마이크로피브릴화 셀룰로스의 층(MFC 층)을 제공하는 단계;
    b) MFC 층의 적어도 하나의 표면이 금속화를 거치는 단계;
    c) 금속화된 MFC 층의 표면 중 적어도 하나에 중합체 분산액 코팅 층을 적용하는 단계.
  27. 제 26항에 있어서, 단계 c 전, 동안 또는 후에 금속화된 MFC 층을 종이 또는 판지 기재에 적층하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 제 26 또는 27항에 있어서, 중합체 분산액 코팅 층은 MFC 층의 금속화된 표면에 적용되는 방법.
  29. 제 26 내지 28항 중 어느 한 항에 있어서, 금속화는 바람직하게는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)에 의한, MFC 층 상의 금속 또는 금속 산화물의 기상 증착을 포함하는 방법.
  30. 제 26 내지 29항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 분산액 코팅 층은 100 ℃ 미만, 바람직하게는 80 ℃ 미만의 온도에서 MFC 층의 금속화된 표면에 적용되는 방법.
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