KR20220037463A - 퇴비화 가능한 판지 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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치타이 시. 양
라훌 바르드와즈
체스터 이. 알키에비치
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웨스트락 엠더블유브이, 엘엘씨
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Abstract

제1 주요 측면과 제1 주요 측면에 대향하는 제2 주요 측면, 제1 주요 측면 위의 코팅층을 포함하는 판지 구조체로서, 상기 코팅층은 중합체 및 활석을 포함하고, 상기 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함한다.

Description

퇴비화 가능한 판지 구조체 및 그 제조 방법
본 출원은 2019년 7월 30일자로 출원된 미국 특허 번호 62/880,229로부터 우선권을 주장하며, 이 문헌의 전체 내용이 여기에 참조로 포함된다.
본 출원은 코팅된 판지에 관한 것으로, 특히 판지 기재 위의 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및/또는 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 코팅에 충전제를 첨가하는 것에 관한 것이다.
포장 분야에서, 중합체 코팅을 포장 구조체에 제공하는 것이 종종 요망된다. 이러한 중합체 코팅은 내구성, 내습성, 및 가열-밀봉성과 같은 기타 유용한 특성을 부여할 수 있다. 최근 이러한 포장 구조체에서 중합체 코팅을 위해 바이오폴리머를 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 바이오폴리머의 예는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트)를 포함한다.
그러나 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 둘 다 압출 코팅 공정 안정성과 하향 전환 특히 가열-밀봉성에 문제가 있다.
따라서, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 판지 제조 분야에서 연구 및 개발 노력을 계속하고 있다.
판지 구조체 및 판지 구조체를 제조하기 위한 관련 방법이 개시된다.
일 예에서, 개시된 판지 구조체는 제1 주요 측면 및 제1 주요 측면과 대향하는 제2 주요 측면을 포함하는 판지 기재를 포함한다. 판지 구조체는 또한 제1 주요 측면 상에 코팅층을 포함하고, 여기서 코팅층은 중합체 및 충전제를 포함하고, 여기서 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 적어도 하나를 포함한다.
일 예에서, 판지 구조체를 제조하기 위한 개시된 방법은 중합체 및 충전제를 포함하는 코팅 조성물을 준비하는 단계를 포함하며, 여기서 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함한다. 상기 방법은 판지 기재에 코팅 조성물을 도포하여 판지 기재 위에 코팅층을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
개시된 판지 구조체 및 방법의 다른 예는 다음의 상세한 설명, 첨부 도면 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시에 따라 판지 기재 및 코팅층을 갖는 판지 구조체의 단순화된 단면도이다.
도 2는 본 개시에 따라 판지 기재, 코팅층, 및 상부층을 갖는 판지 구조체의 단순화된 단면도이다.
도 3은 판지 구조체를 제조하기 위한 개시된 방법의 일 예를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압출 코팅기의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 판지에 도포되는 압출 코팅의 정면도이다.
도 6은 100% PBS와 90% PBS + 10% 활석(talc)에 대해 전단 점도와 전단 속도 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 판지 기재를 따라 다양한 위치에서 판지 기재의 코팅된 부분의 폭을 보여주는 그래프이다.
도 8은 압출되는 샘플 1-4와 관련된 코팅 조성물의 평균 커튼 폭의 표준 편차를 보여주는 그래프이다.
도 9는 샘플 1-4에 대한 온도와 섬유 인열 비율의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 10은 샘플 1-5에 대한 전단 점도와 전단 속도의 관계를 보여주는 그래프이다.
다음의 상세한 설명은 본 개시에 의해 설명된 특정 예를 예시하는 첨부 도면을 참조한다. 상이한 구조 및 동작을 갖는 다른 예는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는다. 동일한 참조 번호는 상이한 도면들에서 동일한 특징, 요소 또는 구성요소를 지칭할 수 있다.
반드시 그런 것은 아니지만 본 개시에 따른 주제가 청구될 수 있는 예시적이고 비 제한적인 예가 아래에 제공된다. 여기에서 "예시"에 대한 참조는 그 예와 관련하여 설명된 하나 이상의 특징, 구조, 요소, 구성요소, 특성 및/또는 동작 단계가 본 개시에 따른 주제의 적어도 하나의 실시형태 및/또는 구현에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 개시 전반에 걸쳐 "예시"라는 문구 및 유사한 언어는 동일한 예를 지칭할 수 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. 또한, 임의의 한 예를 특징짓는 주제는 임의의 다른 예를 특징짓는 주제를 포함할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 개시는 판지 구조체(100)의 예를 제공한다. 판지 구조체(100)는 제1 주요 측면(12) 및 제1 주요 측면(12)에 대향하는 제2 주요 측면(14)을 갖는 판지 기재(10)를 포함한다. 판지 구조체(100)는 또한 판지 기재(10)의 제1 주요 측면(12) 위에 코팅층(20)을 포함한다. 코팅층(20)은 중합체 및 충전제를 포함하고, 여기서 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 적어도 하나를 포함한다.
코팅층(20)이 일반적으로 판지 기재(10)의 제1 주요 측면(12) 상에 있는 것으로 도시 및 설명되지만, 코팅층(20)은 또한 판지 기재(10)의 제2 주요 측면(14) 상에 있을 수도 있는 것으로 일반적으로 고려되며, 판지 기재(10)의 제1 주요 측면(12) 상의 코팅층(20)에 대한 대안으로서, 또는 그에 추가하여.제공될 수 있다.
판지 구조체(100)의 판지 기재(10)는, 예를 들어 개시된 코팅층(20)으로, 코팅될 수 있는 임의의 셀룰로오스 재료일 수 있다(또는 포함할 수 있다). 판지 기재(10)는 단일 겹 또는 여러 겹일 수 있을 뿐만 아니라, 표백되거나 미표백일 수 있다. 적절한 판지 기재의 예로는 중심 원지(corrugating medium), 골판 원지(linerboard), 고체 표백 황산염(SBS: solid bleached sulfate), 접히는 상자 보드(FBB: folding box board), 및 코팅된 미표백 크라프트(CUK)가 있다.
결합제, 안료 등과 같은 추가 성분이 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 판지 기재(10)에 첨가될 수 있다. 또한, 판지 기재(10)는, 중공 플라스틱 안료 또는 팽창 가능한 미소구체와 같은 벌크를 증가시키기 위한 플라스틱 안료, 또는 다른 화학적 증량제가 실질적으로 없을 수도 있다. 또한, 판지 기재(10)에는 분쇄된 목재 입자가 실질적으로 없을 수 있다.
판지 기재(10)는 3000 제곱 피트당 약 40 파운드 이상의 코팅되지 않은 연량(basis weight)을 가질 수 있다. 일 예에서, 판지 기재(10)는 코팅되지 않은 연량이 적어도 40 lb/3000ft2일 수 있다. 다른 예에서, 판지 기재(10)는 약 85 lb/3000ft2내지 약 350 lb/3000ft2 범위의 코팅되지 않은 연량을 가질 수 있다. 다른 예에서, 판지 기재(10)는 약 85 lb/3000ft2 내지 약 250 lb/3000ft2 범위의 코팅되지 않은 연량을 가질 수 있다. 또 다른 표현에서 판지 기재(10)는 약 100 lb/3000ft2 내지 약 250 lb/3000ft2 범위의 코팅되지 않은 연량을 가질 수 있다.
또한, 판지 기재(10)는 예를 들어 약 8포인트 내지 약 32포인트(0.008인치 내지 0.032인치) 범위의 캘리퍼(두께)를 가질 수 있다. 한 예에서, 캘리퍼 범위는 약 10포인트에서 약 24포인트이다. 다른 예에서, 캘리퍼 범위는 약 12포인트에서 약 18포인트이다.
적합한 판지 기재(10)의 하나의 특정한 비 제한적인 예는 미국 조지아주 애틀랜타 소재의 WestRock Company에 의해 제조된 13-포인트 SBS 컵스톡(cupstock)이다. 적합한 판지 기재(10)의 다른 특정한 비 제한적인 예는 WestRock Company에 의해 제조된 12.4-포인트 SBS 컵스톡이다. 적합한 판지 기재(10)의 또 다른 특정한 예는 WestRock Company에 의해 제조된 18-포인트 SBS 컵스톡이다.
여전히 도 1을 참조하면, 판지 구조체(100)는 판지 기재(10)의 제1 주요 측면(12) 상에 코팅층(20)을 포함한다. 코팅층(20)은 임의의 적합한 방법, 예를 들어, 용융된 코팅 조성물의 커튼을 판지 기재(10) 위에 압출함으로써 제1 주요 측면(12)에 도포될 수 있다. 또한, 코팅층(20)은 다양한 코팅 중량으로 적용될 수 있다. 일 예에서, 코팅층(20)은 적어도 약 8 lb/3000ft2의 코팅 중량을 가질 수 있다. 일 예에서, 코팅층(20)은 약 10 lb/3000ft2 내지 약 50 lb/3000ft2 범위의 코팅 중량을 가질 수 있다. 일 예에서, 코팅층(20)은 약 15 lb/3000ft2 내지 약 40 lb/3000ft2 범위의 코팅 중량을 가질 수 있다. 일 예에서, 코팅층(20)은 약 20 lb/3000ft2 내지 약 25 lb/3000ft2 범위의 코팅 중량을 가질 수 있다. 적용된 코팅의 총량은 필요에 따라 바뀔 수 있지만, 일반적으로 최종 판지 구조체(100)의 물리적 특성(예를 들어, 중량, 밀도, 가열-밀봉성 등)에 대해 고려가 주어질 것으로 생각된다.
이 시점에서, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 추가 코팅층이 판지 기재(10)의 제2 주요 측면(14)에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다(도시되지 않음). 추가 코팅층은, 예를 들어 코팅층(20)을 적용하기 위해 사용된 동일한 압출 방법을 사용하여, 적용될 수 있다. 유사하게, 추가 코팅층의 코팅 중량은 또한 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 변할 수 있다.
코팅층(20)은 특히 판지 구조체(100)에 가열-밀봉성을 부여하기 위해 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, 코팅층(20)은 열 및/또는 압력에 노출될 때 코팅층-대-판지 기재 열 융착(heat seals)의 형성을 가능하게 할 수 있다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는, 예를 들어 판지 컵의 제조 동안과 같이 판지 구조(100)를 복잡한 형상으로 형성하는 것을 포함하는 응용에서, 양호한 가열-밀봉성이 바람직할 수 있음을 이해할 것이다.
코팅층(20)은 중합체 및 충전제를 포함하며, 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트)(PBS) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트)(PBSA) 중 적어도 하나를 포함한다. PBS는 생분해성, 반-결정질 폴리에스테르 바이오폴리머(ASTM D6868-11에 따라 결정됨)이고 PBSA는 PBS의 공중합체이다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 PBS 및 PBSA가 ASTM D6400 및 EN 13432 표준에 따라 생분해성 및 퇴비화 가능하기 때문에 PBS 및 PBSA가 다른 중합체 재료보다 선호될 수 있음을 이해할 것이다. 보다 구체적으로, PBS와 PBSA는 모두 퇴비의 품질에 영향을 미치지 않으면서 이산화탄소, 물, 및 미네랄로 분해할 수 있다. 표 1은 태국 방콕 소재의 PTT MCC Biochem에서 입수할 수 있는 적합한 PBS 및 PBSA의 예를 제공한다. 추가로, 개시된 판지 구조체 및 관련 제조 방법의 임의의 주어진 예에 사용된 PBS 및/또는 PBSA가 석유-기반 및 바이오-기반 공급원 중 적어도 하나로부터 유래될 수 있다는 것이 또한 고려된다.
Figure pct00001
PBS 및 PBSA는 다양한 상이한 등급(분자량 기준)으로 입수 가능할 수 있다. 따라서 분자량의 간접적인 척도인 용융 유량(melt flow rate)(예: 재료의 용융물이 압력하에서 흐르는 능력)은 PBS 또는 PBSA의 상이한 등급들 사이에서 변할 수 있다. 적절한 중합체(PBS 및 PBSA 중 적어도 하나를 포함함)는 원하는 용융 유량을 기반으로 선택될 수 있다. 대안으로, 2개 이상의 등급의 PBS 및/또는 PBSA를 블렌딩하여 원하는 용융 유량이 생성된 중합체에서 달성되도록 할 수 있다. 일 예에서, 중합체는 10분당 약 1g 내지 10분당 약 100g의 용융 유량을 가질 수 있다. 한 예에서, 중합체는 10분당 약 3g 이상의 용융 유량을 갖는다. 한 예에서, 중합체는 10분당 약 10g 이상의 용융 유량을 갖는다. 한 예에서, 중합체는 10분당 약 20g 이상의 용융 유량을 갖는다.
코팅층(20)은 중합체와 충전제를 포함한다. 그러나 중합체 및 충전제의 상대 농도는 생성되는 코팅 조성물의 가공성 및 생성되는 코팅층(20)의 가열-밀봉성을 고려하여 필요에 따라 변경될 수 있다. 하나의 예에서, 코팅층(20)은 적어도 1중량% 충전제를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 코팅층(20)은 5중량% 이상의 충전제를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 코팅층(20)은 10중량% 이상의 충전제를 포함할 수 있다.
코팅층(20)을 특정 응용에 맞추는 방식으로 충전제가 중합체에 첨가될 수 있다. 충전제는, 유기 충전제, 무기 충전제, 및 둘 중 하나 이상의 혼합을 포함하여, 중합체에 첨가될 수 있고 판지 기재(10) 위에 코팅층(20)으로 형성될 수 있는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 적합한 유기 충전제의 예는 셀룰로오스, 천연 섬유, 목분 등을 포함할 수 있다. 적합한 무기 충전제의 예는 활석, 탄산칼슘, 운모, 규조토, 실리카, 점토(예를 들어, 카올린 점토), 규회석, 부석, 제올라이트, 세라믹 구체 등을 포함할 수 있다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 다른 유기 및/또는 무기 충전제가 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
충전제는, 특정 물리적 특성(예: 비중, 종횡비, 중간 입자 크기 등)을 기반으로 그리고 판지 구조cp(100)의 처리와 관련된 임의의 처리 제한을 고려하여, 선택될 수 있다. 예를 들어, 특히 좁은 압출기 출력 슬롯을 통해 코팅층(20)을 압출하는 것을 포함하는 응용에서 비교적 작은 중간 입자 크기를 갖는 충전제가 비교적 큰 중간 입자 크기를 갖는 충전제보다 더 적합할 수 있다. 한 예에서, 충전제는 최대 6 마이크로미터의 중간 입자 크기를 가질 수 있다. 한 예에서, 충전제는 최대 3 마이크로미터의 중간 입자 크기를 가질 수 있다. 한 예에서, 충전제는 최대 1 마이크로미터의 중간 입자 크기를 가질 수 있다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 하나 이상의 예에서, 코팅층(20)이 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 유형의 충전제를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
하나 이상의 응용에서, 활석의 첨가가 제공할 수 있는 가공성의 개선으로 인해 활석은 충전제로서 특히 매우 적합할 수 있다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 PBS 및 PBSA가 일반적으로 높은 처리 온도에서도 높은 점도를 갖는 PBS 및 PBSA로 인해 압출하기 어렵다는 것을 이해할 것이다. 또한, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 또한 미네랄 충전제를 용융 중합체에 혼입하는 것이 일반적으로 기본 중합체 점도를 증가시키거나 "강하게(thicken)" 한다는 것을 이해할 것이다. 놀랍게도, 몬태나주 헬레나의 Barretts Minerals로부터 입수 가능한 FortiTalc® AG609 LC와 같은 활석은 PBS 및/또는 PBSA에 첨가될 때 반대 효과를 갖는 것으로 밝혀졌다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 활석을 PBS 및/또는 PBSA에 혼입하는 것은 실제로 중합체 분자의 더 쉬운 흐름을 촉진하는 데 있어 희석(thinning) 또는 "윤활" 효과를 가질 수 있다고 믿어진다(따라서 압출성을 개선함). 그러나, 상대적으로 많은 비율(중량 기준)의 활석을 함유하는 코팅층(20)이 우수한 압출성을 나타낼 수 있는 반면, 코팅층(20)에서 과량의 활석은 가열-밀봉 성능을 손상시킬 수도 있는 것으로 여겨진다. 사용된다면, 코팅층(20)에서 활석에 대한 중합체의 비율은 필요에 따라 변할 수 있는 또 다른 가공 인자이다.
도 2를 참조하면, 일 예에서, 판지 구조체(100)는 판지 기재(10)의 제1 주요 측면(12) 상에 하나 이상의 상부 층(30)을 포함할 수 있고, 여기서 코팅층(20)은 판지 기재(10)와 상부 층(10) 사이에 있다. 또한, 판지 구조체(100)가 판지 기재(10)의 제2 주요 측면(14) 상에 코팅층(20)을 포함하는 예에서, 상부 층(들)(30)이 판지 기재(10)의 제2 주요 측면(14)에도 마찬가지로 적용될 수 있다고 일반적으로 고려된다. 상부 층(들)(30)은 코팅층(20)과 동시에(예를 들어, 동일한 기계 상에서) 또는 별도로(예를 들어, 별도의 기계 상에서) 판지 기재(10)에 적용될 수 있다. 조성면에서, 상부 층(들)(30)은 코팅층(20)과 유사하거나 완전히 상이할 수 있다. 일 예에서, 상부 층(30)은 코팅층(20)과 조성적으로 구별될 수 있다. 다른 예에서, 상부 층(30)은 PBS 및 PBSA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상부층(30)은 PBS 및 PBSA 둘 다를 포함할 수 있다.
중합체 및 충전제 이외에, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 코팅층(들)(20) 및 상부 층(들)(30) 중 적어도 하나가 또한 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 안료, 안정제 등과 같은 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
도 3을 참조하면, 본 개시는 판지 구조체(100)를 제조하기 위한 방법(200)의 예를 제공한다. 방법(200)은 중합체 및 충전제를 포함하는 코팅 조성물을 제조하는 단계(블록 210)를 포함하고, 여기서 중합체는 PBS 및 PBSA 중 적어도 하나를 포함한다. 충전제에 대한 중합체의 원하는 비율에 따라, 준비 단계(블록 210)는 일정량의 충전제와 일정량의 중합체를 물리적으로 조합하는 것처럼 간단할 수 있다. 대안으로, 준비(블록 210)는 중합체 및 충전제의 마스터 배치(master batch)를 희석하는 것과 같이 다른 조합방법을 포함할 수 있다. 한 예에서, 준비(블록 210)는 제1 배치 및 제2 배치를 조합하여 코팅 조성물을 산출하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 제1 배치는 PBS 및 PBSA 중 적어도 하나를 포함하고 제2 배치(예를 들어, 마스터 배치)는 충전제와 PBS 및 PBSA 중 적어도 하나를 포함한다(블록 220). 제1 배치와 제2 배치를 조합함으로써, 생성되는 코팅 조성물의 충전제의 농도는 제2 배치에 있던 충전제의 농도보다 낮아질 것이다.
당해 기술분야의 통상의 기술자는 준비 단계(블록 210)가 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다양한 다른 처리 단계를 더 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 다른 처리 단계는 예를 들어 일정량의 PBS와 일정량의 PBSA를 혼합하는 것, 2가지 상이한 등급의 PBS를 혼합하는 것, 중합체를 가열하는 것, 코팅 조성물을 펠릿으로 형성하는 것 등을 포함할 수 있다.
하나 이상의 예에서, 상기 준비(블록 210)는 생성되는 코팅 조성물의 레올로지 특성(rheological properties)을 고려하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 코팅 조성물이 제조 공정(예: 압출)의 후속 단계에 적합하도록 하는 방법으로 레올로지 한계를 미리 정의하는 것이 바람직할 수 있다. 일 예에서, 코팅 조성물은 적어도: 0.01 s-1의 전단 속도에서 670 Pa·s, 10 s-1의 전단 속도에서 240 Pa·s, 100 s-1의 전단 속도에서 180 Pa·s, 및 600 s-1의 전단 속도에서 100 Pa·s의 전단 점도를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 코팅 조성물은 대략: 0.01 s-1의 전단 속도에서 1,410 Pa·s, 10 s-1의 전단 속도에서 520 Pa·s, 100 s-1의 전단 속도에서 260 Pa·s, 및 600 s-1의 전단 속도에서 125 Pa·s의 전단 점도를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 코팅 조성물은 최대로: 0.01 s-1의 전단 속도에서 670 Pa·s, 10 s-1의 전단 속도에서 240 Pa·s, 100 s-1에서 180 Pa·s, 및 600 s-1의 전단 속도에서 100 Pa·s의 전단 점도를 포함할 수 있다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 코팅 조성물의 레올로지가 중합체의 용융 유량 및 충전제의 농도에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 코팅 조성물을 준비할 때(블록 210), 코팅 조성물이 미리 정의된 레올로지 한계에 따르도록 이러한 인자는 필요에 따라 변경될 수 있다.
코팅 조성물이 준비된 후(블록 210), 방법(200)은 이어서 코팅 조성물을 판지 기재(10)에 도포하여 판지 기재(10) 상에 코팅층(20)을 형성하는 단계(블록 230)로 진행할 수 있다. 블록(230)은 코팅 조성물을 판지 기재(10)에 도포하기 위한 임의의 적절한 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 블록(230)은 도 4 및 도 5에 도시된 어셈블리를 사용하여 판지 기재(10) 상으로 코팅 조성물을 압출함으로써(블록 240) 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 판지 기재(10)가 공급 롤(16)로부터 풀리는 동안 압출기 다이(40)가 판지 기재(10) 위에 중합체 커튼(24)을 적용하는 압출 코팅의 단순화된 도면이 예시되어 있다. 판지 기재(10) 및 커튼(24)은 압력 롤(44)과 냉각 롤(42) 사이의 틈새(nip)(46) 내에 함께 눌러지며, 냉각 롤은 코팅된 판지 기재(18)가 공정의 다른 단계(예를 들어, 경화, 마무리 등)로 이동하기 전에 중합체를 냉각시킨다.
도 5를 참조하면, 압출 코팅 공정의 정면도가 도시되어 있다. 압출기 다이(40)를 떠날 때, 코팅 조성물의 커튼(24)은, 조성, 온도 및 코팅 조성물의 공급 속도, 압출기 다이(40)의 슬롯 개구, 및 다이(40) 내 데클 로드(deckle rod)의 위치를 포함하는 가공 조건에 의존할 수 있는 폭(W1)을 가질 수 있다. 커튼(24)의 선형 속도(V2)또한 이들 인자에 의존한다. 슬롯 개구가 T1 mils인 경우, 코팅된 판지 기재(18) 상의 코팅 조성물의 결과적인 필름 두께(T2)는 대략 T1*V2/V1일 것이다. 일반적으로 판지 속도(V1)는 커튼 속도(V2)보다 몇 배 더 크고, 필름 두께(T2)는 그에 따라 T1보다 몇 배 작을 것이다.
때때로 발생하여 폐기물을 발생시키는 가공 결함은 "에지 짜임(edge weave)이며, 여기서 커튼(24)의 에지(26)가 옆으로 흔들린다. 커튼(24)의 이러한 흔들림은 판지 기재(10) 상의 코팅된 판지 기재(18) 위에서 물결 모양의 에지(26)에 의해 나타난다. 에지(26)에서 균일하지 않은 커버리지로 인해, 판지 기재(10)의 더 많은 측면이 폐기물로서 다듬어질 필요가 있다. 도 5에서, 에지 짜임은 코팅의 물결 모양 에지(26)에 의해 단순한 방식으로 도시되어 있으며, 코팅된 폭은 폭(W3 및 W4)에 의해 도시된 바와 같이 판지 기재(10)의 길이를 따라 변할 수 있다는 사실이다.
실시형태 1
표 2는 개시된 판지 구조체(100)의 4가지 상이한 샘플에 대한 코팅 조성물 및 코팅 중량을 보여준다.
Figure pct00002
4개의 샘플 모두 FZ71PM PBS를 함유한다. 특히, 샘플 1 및 2는 활석을 포함하지 않는 반면 샘플 3 및 4는 10중량%의 활석을 포함한다. 이들 샘플을 제조하기 위해, 다양한 코팅 조성물(표 2에 제시됨)의 펠릿을 준비한 다음, 표 3에 제시된 구성을 갖는 스크류 압출기에 공급하였다.
Figure pct00003
일단 용융되면, 코팅 조성물을 커튼 코팅 장치를 통해 18-포인트 SBS 판지 기재 위로 압출하였다. 커튼 코팅 장치는 30인치 x 0.025인치의 슬롯 크기, 4.5인치의 에어갭, 22인치의 다이 데클을 갖도록 구성되었다. 압출기의 스크류는 4개 샘플 모두에 대해 80 rpm으로 설정되었다. 라인 속도(예: V1)는 20 lb/3000ft2 및 25 lb/3000ft2의 코팅 중량을 달성하도록 변경되었다. 표 2의 코팅 조성물의 압출과 관련된 추가 공정 조건은 표 4에 요약되어 있다.
Figure pct00004
활석 첨가가 코팅 조성물의 레올로지에 미치는 영향을 평가하기 위해, 샘플 1-4 코팅 조성물의 압출물을 압출기 다이 출구에서 수집하고 미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재 TA Instruments에서 구입 가능한 평행판 유형 레오미터(rheometer)(모델번호 AR2000ex)에서 185℃에서 측정했다. Y축에 전단 점도 값을, X축에 전단 속도를 나타내는 도 6을 참조하면, 10중량% 활석의 첨가가, 특히 0에 가깝거나 낮은 전단 속도 조건(예: 10s-1 미만)에서, 코팅 조성물의 전체 점도를 현저히 감소시켜 PBS 압출 가공을 개선하는 것을 보여준다.
제조 후, 샘플 1 내지 샘플 4에 대해 에지 짜임 및 가열-밀봉성을 평가했다. 그 결과를 도 7 내지 9에 에 그래프로 나타내었다.
도 7을 참조하면, 활석 첨가가 에지 짜임에 미치는 영향이 제시되어 있다. 보다 구체적으로, 판지 기재의 코팅된 부분의 폭(커튼의 폭과 상관관계가 있음)은 위치 1-10에서 측정되었으며, 여기서 각 위치는 3인치 간격으로 순차적으로 이격되어 있다. 위치들은 X축에 표시되고 판지 기재의 코팅된 부분의 폭은 Y축에 표시된다. 도시된 바와 같이, 샘플 1은 폭이 18.70인치와 19.09인치 사이이고, 샘플 2는 폭이 18.62인치와 18.98인치 사이이며, 샘플 3은 폭이 17.95인치와 18.03인치 사이이며, 샘플 4는 폭이 17.83인치와 17.91인치 사이이다. 따라서 10% 활석을 추가하면 커튼에서 에지 짜임이 크게 줄어 든다.
도 7에 제시된 데이터로부터, 평균 커튼 폭 및 커튼 폭의 표준 편차를 계산하였다. 샘플 1-4의 평균 커튼 폭의 표준 편차를 비교한 도 8을 참조하면, 10중량% 활석을 첨가하면 평균 커튼 폭의 표준 편차를 25 lb/3000ft2의 코트 중량에서 0.087인치만큼 그리고 20 lb/3000ft2의 코트 중량에서 0.096인치만큼 낮출 수 있음을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 활석 첨가가 가열-밀봉성에 미치는 영향이 도시되어 있다(섬유 인열 비율(percent fiber tear)로 등급화됨). 가열-밀봉성을 평가하기 위해, 60 psi 압력, 3초 체류 시간 및 325℉, 350℉ 및 375℉ 열 융착 바(heat seal bar) 온도에서, 미국 매사추세츠주 하이애니스 소재 Sencorp White에서 구입 가능한 Sencorp Ceratek 막대 융착기(bar sealer)를 사용하여 샘플 1-4 위에 열 융착을 생성했다. 상기 열 융착은 TAPPI T539 시험 방법에 명시된 기준 및 조건에 따라 평가되었다.
도 9는 Y축에 섬유 인열 비율을 X축에 온도를 표시한다. 일반적으로 열 융착 온도를 높이고 코팅 중량을 20 lb/3000ft2에서 25 lb/3000ft2까지 늘리는 것이 열 밀봉 성능을 향상시키는 두 가지 실행 가능한 방법임을 보여준다. 또한, 샘플 1 및 2를 샘플 3 및 4와 비교할 때, 도 9는 10중량% 활석의 첨가가 325℉, 350℉ 및 375℉에서 코팅층의 가열-밀봉 성능을 약 10% ~ 약 35% 정도 증가시키는 것을 보여준다. 따라서, 개시된 판지 구조체는 325℉에서 적어도 40% 섬유 인열, 350℉에서 70% 섬유 인열, 및 375℉에서 80% 섬유 인열을 갖는 코팅층-대-판지 기재 열 융착을 포함할 수 있다. 놀랍게도, 샘플 1이 샘플 4보다 더 큰 코팅 중량을 가졌음에도 불구하고, 샘플 4(활석을 함유함)조차도 시험된 모든 온도에서 샘플 1(활석을 함유하지 않음)보다 더 나은 가열-밀봉 성능을 보였다.
실시형태 2
표 5는 5개의 상이한 압출물 샘플(ES)을 형성하는데 사용된 코팅 조성물을 제공한다.
Figure pct00005
압출물 샘플 1-3은 FZ91PM을 포함하고, 압출물 샘플 3-5는 FZ71PM을 포함하고, 압출물 샘플 3 및 5는 활석을 포함한다. 이러한 압출물 샘플은 표 5의 코팅 조성물을 표 6에 나타낸 구성을 갖는 스크류 압출기에 공급하여 준비하였다.
Figure pct00006
스크류 속도는 80 rpm에서 실행되었고, 라인 속도는 분당 140 피트로 유지되었으며, 에어갭은 4.5 인치로 유지되었다. 표 5의 코팅 조성물을 스크류 압출기에서 용융시킨 후 압출하였다. 표 5의 코팅 조성물의 압출과 관련된 추가 가공 조건은 표 7에 요약되어 있다.
Figure pct00007
압출물 샘플 1 내지 5를 압출기 다이 출구에서 수집하고 미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재의 TA Instruments로부터 입수 가능한 평행판 유형 레오미터, 모델 번호 AR2000ex에서 185℃에서 185℃에서 측정하였다. 다양한 전단 속도에 대한 압출물 샘플 1-5의 전단 점도가 표 8에 요약되어 있다.
Figure pct00008
Y축에 전단 점도를, X축에 전단 속도를 표시한 도 10을 참조하면, 압출물 샘플 1-5의 레올로지 프로파일이 도시되어 있다. 예상대로, 압출물 샘플은 더 높은 전단 속도에서보다 더 낮은 전단 속도에서 더 높은 점도와 더 큰 점도 차이를 나타냈다. FZ91PM에 20중량%의 FZ71PM을 첨가하면 생성된 코팅 조성물의 점도를 낮은 전단 속도(순수한 FZ91PM에 비해)에서 거의 절반으로 줄이는 데 도움이 되었지만, 궁극적으로 너무 점도가 높아 압출이 불가능하다는 것이 판명되었다. 그러나 10중량%의 활석을 15중량%의 FZ71PM 및 75중량%의 FZ91PM에 첨가하면 점도를 감소시키고 압출 가공성을 개선함으로써 3성분 혼합물을 압출 가능하게 만들었다. 유사하게, 10중량% 활석을 90중량% FZ71PM에 첨가하면 생성된 코팅 조성물의 전단 점도가 (순수한 FZ71PM과 비교하여) 낮은 전단 속도에서 절반 이상 감소했다.
개시된 판지 구조체 및 관련 방법의 다양한 양태가 도시되고 설명되었지만, 본 명세서를 읽을 때 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 변경이 떠오를 수 있다. 본 출원은 그러한 변경을 포함하고 청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (44)

  1. 제1 주요 측면(12) 및 상기 제1 주요 측면(12)에 대향하는 제2 주요 측면(14)을 포함하는 판지 기재(10); 그리고
    상기 제1 주요 측면(12) 위의 코팅층(20)으로서, 상기 코팅층(20)은 중합체 및 충전제를 포함하고, 상기 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함하는, 코팅층(20);
    을 포함하는, 판지 구조체(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판지 기재(10)는 고체 표백 황산염(SBS: soild bleached sulfate)을 포함하는, 판지 구조체(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 판지 기재(10)는 40 lb/3000ft2 이상의 연량(basis weight)을 갖는, 판지 구조체(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판지 기재(10)는 약 85 lb/3000ft2내지 약 350 lb/3000ft2 범위의 연량을 갖는, 판지 구조체(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판지 기재(10)는 약 8포인트 내지 약 32포인트 범위의 캘리퍼를 갖는, 판지 구조체(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판지 기재(10)는 약 10 포인트 내지 약 24 포인트 범위의 캘리퍼를 갖는, 판지 구조체(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판지 기재(10)는 약 12 포인트 내지 약 18 포인트 범위의 캘리퍼를 갖는, 판지 구조체(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 약 8 lb/3000ft2 이상의 코팅 중량을 갖는, 판지 구조체(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 약 10 lb/3000ft2 내지 약 50 lb/3000ft2범위의 코팅 중량을 갖는, 판지 구조체(100).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 약 15 lb/3000ft2 내지 약 40 lb/3000ft2 범위의 코트 중량을 갖는, 판지 구조체(100).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 약 20 lb/3000ft2 내지 약 25 lb/3000ft2 범위의 코팅 중량을 갖는, 판지 구조체(100).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 열-밀봉 가능한, 판지 구조체(100).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가 본질적으로 폴리(부틸렌 숙시네이트)를 포함하는, 판지 구조체(100).
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가 본질적으로 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트)를 포함하는, 판지 구조체(100).
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 둘 다를 포함하는, 판지 구조체(100).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 10분당 약 1g 내지 10분당 약 100g의 용융 유량을 갖는, 판지 구조체(100).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 10분당 약 3g 이상의 용융 유량을 갖는, 판지 구조체(100).
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 10분당 약 10g 이상의 용융 유량을 갖는, 판지 구조체(100).
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 10분당 약 20g 이상의 용융 유량을 갖는, 판지 구조체(100).
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 퇴비화 가능한, 판지 구조체(100).
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 생분해성인, 판지 구조체(100).
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 석유-기반 공급원 및 바이오-기반 공급원 중 적어도 하나로부터 유래되는, 판지 구조체(100).
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전제는 무기 충전제를 포함하는, 판지 구조체(100).
  24. 제23항에 있어서,
    상기 무기 충전제는 활석, 탄산칼슘, 운모, 규조토, 실리카, 점토, 카올린, 규회석, 부석, 제올라이트, 및 세라믹 구체 중 적어도 하나를 포함하는, 판지 구조체(100).
  25. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전제는 유기 충전제를 포함하는, 판지 구조체(100).
  26. 제25항에 있어서,
    상기 유기 충전제는 셀룰로스, 천연 섬유, 및 목분 중 적어도 하나를 포함하는, 판지 구조체(100).
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전제는 최대 12 마이크로미터의 중간 입자 크기를 갖는, 판지 구조체(100).
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전제는 최대 6 마이크로미터의 중간 입자 크기를 갖는, 판지 구조체(100).
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전제는 최대 3 마이크로미터의 중간 입자 크기를 갖는, 판지 구조체(100).
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전제는 최대 1 마이크로미터의 중간 입자 크기를 갖는, 판지 구조(100).
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 상기 충전제를 1중량% 이상 포함하는, 판지 구조체(100).
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 상기 충전제를 5 중량% 이상 포함하는 판지 구조체(100).
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층(20)은 상기 충전제를 10 중량% 이상 포함하는, 판지 구조체(100).
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 주요 측면(12) 위에 상부층(30)을 더 포함하고, 상기 코팅층(20)은 상기 판지 기재(10)와 상기 상부층(30) 사이에 있는, 판지 구조체(100).
  35. 제34항에 있어서,
    상기 상부층(30)은 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함하는, 판지 구조체(100).
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    3.0초 체류 시간에서 60 psi 밀봉 압력하에 325℉의 열 융착 막대 온도로 밀봉될 때 40% 이상의 섬유 인열을 갖는 코팅층-대-판지 기재 열 융착을 포함하는, 판지 구조체(100).
  37. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    3.0초의 체류 시간에서 60 psi 밀봉 압력하에 350℉의 열 융착 막대 온도로 밀봉될 때 70% 이상의 섬유 인열을 갖는 코팅층-대-판지 기재 열 융착을 포함하는, 판지 구조체(100).
  38. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    3.0초의 체류 시간에서 60 psi 밀봉 압력하에 375℉의 열 융착 막대 온도로 밀봉될 때 80% 이상의 섬유 인열을 갖는 코팅층-판지 기재 열 융착을 포함하는, 판지 구조체(100).
  39. 판지 구조체(100)를 제조하기 위한 방법(200)으로서,
    중합체 및 충전제를 포함하는 코팅 조성물을 준비하는 단계(210)로서, 여기서 상기 중합체는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함하는, 단계; 그리고
    상기 판지 기재(10) 위에 코팅층(20)을 형성하기 위해 상기 코팅 조성물을 판지 기재(10)에 도포하는 단계(230);
    를 포함하는, 판지 구조체(100)의 제조 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    코팅 조성물을 판지 기재(10)에 도포하는 상기 단계는 상기 코팅 조성물을 상기 판지 기재(10) 위에 압출하는 것을 포함하는, 판기 구조체(100)의 제조 방법.
  41. 제39항 또는 제40항에 있어서,
    코팅 조성물을 준비하는 상기 단계(210)는:
    상기 코팅 조성물을 생성하기 위해 제1 배치(batch) 및 제2 배치를 조합하는(210) 단계를 포함하고,
    여기서 상기 제1 배치는 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함하고,
    여기서 상기 제2 배치는 충전제와, 폴리(부틸렌 숙시네이트) 및 폴리(부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트) 중 하나 이상을 포함하는, 판기 구조체(100)의 제조 방법.
  42. 제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    185℃에서 상기 코팅 조성물이:
    0.01 s-1의 전단 속도에서 670 Pa·s 이상의 전단 점도;
    10 s-1의 전단 속도에서 240 Pa·s 이상의 전단 점도;
    100 s-1의 전단 속도에서 180 Pa·s 이상의 전단 점도; 그리고
    600 s-1의 전단 속도에서 100 Pa·s 이상의 전단 점도;
    를 포함하는, 판기 구조체(100)의 제조 방법.
  43. 제39항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    185℃에서 상기 코팅 조성물이:
    0.01 s-1의 전단 속도에서 약 1,410 Pa·s의 전단 점도;
    10 s-1의 전단 속도에서 약 520 Pa·s의 전단 점도;
    100 s-1의 전단 속도에서 약 260 Pa·s의 전단 점도; 그리고
    600 s-1의 전단 속도에서 약 125 Pa·s의 전단 점도;
    를 포함하는, 판기 구조체(100)의 제조 방법.
  44. 제39항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    185℃에서 상기 코팅 조성물이:
    0.01 s-1의 전단 속도에서 최대 2,150 Pa·s의 전단 점도;
    10 s-1의 전단 속도에서 최대 805 Pa·s의 전단 점도;
    100 s-1의 전단 속도에서 최대 340 Pa·s의 전단 점도; 그리고
    600 s-1의 전단 속도에서 최대 155 Pa·s의 전단 점도;
    를 포함하는, 판기 구조체(100)의 제조 방법.
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