KR20240054903A - 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물 - Google Patents

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정재덕
심유경
윤기철
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씨제이제일제당 (주)
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Abstract

본 발명은 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이며, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol를 만족함으로써, 저온에서도 우수한 열 접착강도와 같은 기계적 물성과 가공성을 확보할 수 있다.

Description

압출 코팅용 생분해성 수지 조성물{BIODEGRADABLE RESIN COMPOSITION FOR EXTRUSION COATING}
본 발명은 저온에서도 열 접착강도와 같은 기계적 물성과 가공성이 우수한 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 환경 문제에 대한 우려가 증가함에 따라 다양한 생활 용품 폐기물의 처리 및 이의 재활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 구체적으로, 저렴하면서 가공성 등의 특성이 우수한 고분자 재료가 종이, 필름, 섬유, 포장재, 병, 용기 등과 같은 다양한 제품들을 제조하는데 널리 이용되고 있으나, 이러한 제품의 수명이 다하였을 때 소각 처리시에는 유해한 물질이 배출될 수 있고, 자연적으로 완전히 분해되기 위해서는 종류에 따라 수백 년이 걸리는 단점을 가지고 있다.
이에, 빠른 시간 내에 분해됨으로써 친환경성을 향상시킬 수 있으면서, 기계적 물성이나 가공성을 향상시켜 제품 자체의 수명을 증가시켜 폐기물의 양을 줄이거나 재활용성을 향상시킬 수 있는 생분해성 고분자에 대한 연구가 계속되고 있다.
폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoates, PHA)는 수많은 미생물에 의해 생성되고, 세포내 저장 물질로 사용되는 여러 종류의 하이드록시 카르복시산으로 구성되는 생분해성 수지이다. 폴리하이드록시알카노에이트는 기존의 석유로부터 유래된 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(polybutylene adipate terephthalate, PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트(polybutylene succinate, PBS), 폴리부틸렌 숙시네이트 테레프탈레이트(polybutylene succinate terephthalate, PBST), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(polybutylene succinate adipate, PBSA)등과 같은 합성 수지와 유사한 물성을 가지면서, 완전한 생분해성을 보이며, 생체적합성 또한 우수하다.
한편, 종래에는 압출 코팅 수지로서 장쇄 분지(long chain branch)에 의해 가공성이 우수하고, 용융강도(melt strength)가 높은 폴리에틸렌(polyethylene, PE)이나 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA)와 같은 재료들이 주로 사용되어 왔다. 그러나, PE나 EVA는 내열성 낮은 단점이 있어 내열성을 향상시키기 위한 연구가 계속되어 왔으며, 이에 따른 대안으로 폴리프로필렌(polypropylene, PP)이 사용되기도 하였으나, 낮은 가공성 및 용융강도로 인해 컵라면 용기, HMR 식품 용기 등에 제한적으로 사용되어 왔다.
또한, PE, EVA 및 PP는 석유로부터 유래된 석유화학 베이스 수지들이므로, 토양이나 해양에서 생분해가 되지 않아 환경 오염을 초래해 최근 환경적인 이슈에 부딪치고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 폴리락트산(polylactic acid, PLA)이나 PBS, PBAT와 같은 생분해성 수지를 이용하여 압출 코팅 수지를 개발하고 있으나, 이러한 생분해성 수지들은 대부분이 특정한 조건에서만 분해되며, 해양에서는 생분해가 잘 되지 않는 단점이 있다.
또한, 이러한 생분해성 수지는 열 접착강도와 같은 기계적 물성이 좋지 않고, 압출 코팅 공정 시 필름 가공보다 훨씬 높은 온도에서 작업하는 경우가 많아 수지들이 열분해 되어 가공도 쉽지 않다. 석유계 플라스틱의 경우 가공성을 높이기 위해 300℃ 이상에서 가공을 하는데 생분해성 수지들은 대부분 300℃ 이상에서는 열분해가 일어날 뿐만 아니라 용융 강도(Melt strength)도 저하되어 공정이 제대로 이루어지지 않으며, 260℃이상의 온도에서도 장시간 열을 받으면 열 분해가 일어나 압출 코팅 가공 시 용융 수지막이 제대로 형성되지 않고 두께의 불균일을 가져와 고속 작업이 쉽지 않게 된다. 그렇기 때문에 생분해성 수지를 만드는 많은 업체에서 아직까지 제대로 된 압출 코팅용 생분해 수지를 만들지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 생분해성 및 생체 적합성이 우수하여 친환경적이면서, 저온에서도 열 접착강도와 같은 기계적 물성 및 가공성이 우수하여 압출 코팅 공정에 적합한 생분해성 수지 조성물에 대한 연구가 계속되고 있다.
한국 공개특허 제2021-0008466호
따라서, 본 발명은 생분해성 및 생체 적합성이 우수하여 토양 및 해양 생분해가 가능해 친환경적이면서, 저온에서도 열 접착강도와 같은 기계적 물성과 가공성이 우수하여 압출 코팅 공정에 적합한 생분해성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 하기 식 1에 따른 점도 감소율(S)이 25% 내지 99% 이다.
[식 1] S = ((S100-S1)/S1) × 100
상기 식 1에서,
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 210℃에서 전단속도(shear rate, 1/s) 1 내지 100으로 점도를 측정했을 때, S1은 전단속도 1에서 측정된 점도(Pa·s)이고, S100은 전단속도 100에서 측정된 점도(Pa·s)이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상기 S1은 50 Pa·s 내지 1200 Pa·s일 수 있고, 상기 S100은 30 Pa·s 내지 300 Pa·s일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 하기 식 2에 따른 펄프화 수율(P, repulping value, %)이 40% 이상 이다.
[식 2] P = ((24-R)/24) × 100
상기 식 2에서,
R은 종이 기재(평량: 30 g/m2 내지 500 g/m2) 상에 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 이용하여 생분해성 코팅층을 형성한 생분해성 적층체의 건조 샘플 24 g에 대하여, 물에 1.2% 농도로 해리된 슬러리(해리 에너지 소비량: 20 kWh/t)를 0.15 mm의 슬릿 형태의 스크린에 10 L/min으로 15분 동안 순환시켰을 때, 잔류한 물질의 건조 질량(g)이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 ASTM D 6866-20 Method B(AMS)에 따른 방사성 탄소동위원소함량을 기준으로 바이오 탄소 함량이 25% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 PHA는 4-하이드록시부티레이트(4-HB) 반복단위를 0.1 중량% 내지 50 중량%로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 PHA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 0.5 g/10min 내지 60 g/10min일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 PHA가 3-하이드록시부티레이트(3-HB), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP), 3-하이드록시헥사노에이트(3-HH), 3-하이드록시발레레이트(3-HV), 4-하이드록시발레레이트(4-HV), 4-하이드록시부티레이트(4-HB), 5-하이드록시발레레이트(5-HV) 및 6-하이드록시헥사노에이트(6-HH)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 반복단위를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리락트산(PLA), 폴리부틸렌아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트(PBS), 열가소성 전분(TPS), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카프로락톤(PCL), 바이오(Bio) 유래 폴리에틸렌 및 바이오(Bio) 유래 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리락트산(PLA)을 더 포함할 수 있고, 상기 PLA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 3 g/10min 내지 40 g/10min이고, ASTM D1238에 따른 210℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 25 g/10min 내지 80 g/10min이고, 유리 전이 온도(Tg)가 45℃ 내지 65℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 PHA 및 상기 PLA의 중량비가 5 : 95 내지 95 : 5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 슬립제, 가소제, 산화방지제, 핵제, 활제, 용융강도 향상제 및 사슬연장제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 첨가제를 0.05 phr 내지 20 phr로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가소제는 에틸아세테이트계, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate; TEC), 에루카마이드(erucamide), 올레아마이드(oleamide), 스테아라마이드(stearamide), 에폭시화 대두유(epoxidized soybean oil), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate; DBP), 소르비톨계(sorbitol), 카나우바 왁스(carnauba wax), 글리세롤 모노스테아레이트(glycerol mono stearate; GMS), 폴리비닐아세테이트계 폴리머 및 비닐아세테이트계 코폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사슬연장제는 2,5-디메틸-2,5-(디-(tert-부틸퍼옥시)헥산)(2,5-dimethtyl-2,5-(di-(tert-butylperoxy)hexane; DTBPH), 피로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride; PMDA), 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate; HMDI), 디쿠밀퍼옥사이드(dicumyl peroxide; DCP), 폴리카보디이미드(polycarbodiimide; PCDI), 디-(tert-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠(di-(tert-butylperoxyisopropyl)benzene; DTBPIB), 에폭사이드계, 폴리아마이드계 및 옥사졸린계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생분해성 적층체는 기재층; 및 상기 기재층의 적어도 일면에 생분해성 코팅층을 포함하고, 상기 생분해성 코팅층이 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하는 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물로 형성되고, 상기 생분해성 수지 조성물은 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생분해성 적층체의 제조 방법은 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 생분해성 수지 조성물을 기재의 적어도 일면에 압출 코팅하여 생분해성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이며, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol을 만족함으로써, 저온에서도 우수한 열 접착강도와 같은 기계적 물성과 가공성을 확보할 수 있다.
구체적으로, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 포함함으로써 생분해성 및 생체 적합성이 우수하여 토양 및 해양 생분해가 가능해 친환경적이다. 또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 흐름성이 조절된 PHA 및 PLA를 포함하여, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min로 제어됨으로써, 종래에 압출 코팅 공정이 수행되던 300℃ 보다 낮은 온도인 150℃ 내지 260℃의 온도에서도 압출 코팅 공정이 원활히 수행될 수 있으며, 열 접착강도와 같은 기계적 물성 또한 우수하다.
특히, 기존 압출 코팅 공정 온도보다 낮고 생분해성 열분해가 일어나지 않는 온도에서 압출 코팅 공정이 가능하며, 보다 구체적으로, 종래에 압출 코팅용 수지로 사용되던 PE 및 PP 수지의 가공 조건인 300℃ 보다 낮은 온도에서도 상기 PE 및 PP 수지와 유사한 흐름성을 확보할 수 있으므로, 가공성이 매우 우수하다.
따라서, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 토양 및 해양 생분해가 가능해 친환경적이면서 압출 코팅 공정에 매우 적합하며, 이를 이용하여 식품이나 마스크의 포장재는 물론 씰링성이나 산소 및 수분 차단성을 필요로 하는 우유팩과 같은 종이팩의 재료로 사용되는 경우 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 실시예 2-1 및 비교예 2-5의 평가예 2-1에 따른 가공성 평가 결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 비교예 2-1의 압출 코팅 공정에서 코팅층이 형성되지 않는 것을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 이용하여 제조된 압출 코팅 제품의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물과 종래에 압출 코팅 수지로 사용된 PLA, PE 및 PP의 레올로지 측정 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2, 1차, 2차 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용되는 것이고, 상기 구성요소들은 상기 용어에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로만 사용된다.
압출 코팅용 생분해성 수지 조성물
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol이다.
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 열분해가 일어나지 않는 온도인 260℃ 이하의 온도에서도 압출 코팅 공정에 따른 가공이 원활히 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로 230℃ 이하의 낮은 온도에서도 우수한 압출 코팅성을 갖는다.
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 종래에 압출 코팅용 수지로 사용되던 PE 및 PP 수지의 가공 조건인 300℃ 보다 낮은 260℃의 온도에서도 가공이 가능하면서 상기 PE 및 PP 수지를 300℃에서 압출 코팅했을 때와 유사한 흐름성을 확보할 수 있으므로, 가공성이 매우 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 PHA를 포함한다.
상기 PHA는 미생물 세포 내에 축적되는 열가소성의 천연 폴리에스테르 고분자로서, 생분해성 소재이므로 퇴비화가 가능하고, 유독성 폐기물 발생도 없으면서 최종적으로 이산화탄소, 물 및 유기 폐기물로 분해될 수 있다.
구체적으로, 상기 PHA는 미생물 세포 내에 축적되는 열가소성의 천연 폴리에스테르 고분자로서, 특정 박테리아가 영양성분(질소원, 인 등)이 불균형적으로 공급될 때, 탄소원과 에너지를 저장하기 위해 세포 내 PHA를 축적함으로써 형성된다.
또한, 상기 PHA는 기존의 석유로부터 유래된 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리부틸렌 숙시네이트 테레프탈레이트(PBST), 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트(PBSA)등과 같은 합성 고분자와 유사한 물성을 가지면서, 완전한 생분해성을 보이며, 생체 적합성 또한 우수하다.
특히, 상기 PHA는 다른 친환경 플라스틱 소재인 PBS, PLA, PTT등과 달리, 150 종류 이상의 단량체로 합성이 가능하기 때문에, 단량체의 종류에 따라 수백 종의 PHA가 제조될 수 있고, 단량체의 종류에 따라 상이한 수백 종의 PHA는 각각 그 구조와 물성이 전혀 상이하다.
상기 PHA는 살아있는 세포 내에 있는 단일 단량체 반복단위로 이루어질 수 있고, 하나 이상의 단량체 반복단위를 중합함으로써 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 PHA는 단일 폴리하이드록시알카노에이트(이하, HOMO PHA로 표기함)일 수 있고, 폴리하이드록시알카노에이트 공중합체(이하, PHA 공중합체로 표기함), 즉 중합체 사슬에 상이한 반복단위들이 규칙적으로 또는 불규칙하게(randomly) 분포되어 있는 공중합체일 수 있다.
상기 PHA에 포함될 수 있는 반복단위의 예로는, 2-하이드록시부티레이트, 젖산, 글리콜산, 3-하이드록시부티레이트(이하, 3-HB로 표기함), 3-하이드록시프로피오네이트(이하, 3-HP로 표기함), 3-하이드록시발레레이트(이하, 3-HV로 표기함), 3-하이드록시헥사노에이트(이하, 3-HH로 표기함), 3-하이드록시헵타노에이트(이하, 3-HHep로 표기함), 3-하이드록시옥타노에이트(이하, 3-HO로 표기함), 3-하이드록시노나노에이트(이하, 3-HN으로 표기함), 3-하이드록시데카노에이트(이하, 3-HD로 표기함), 3-하이드록시도데카노에이트(이하, 3-HDd로 표기함), 4-하이드록시부티레이트(이하, 4-HB로 표기함), 4-하이드록시발레레이트(이하, 4-HV로 표기함), 5-하이드록시발레레이트(이하, 5-HV로 표기함) 및 6-하이드록시헥사노에이트(이하, 6-HH로 표기함)가 있을 수 있으며, 상기 PHA는 이들로부터 선택된 1종 이상의 반복단위를 함유할 수 있다.
구체적으로, 상기 PHA는 3-HB, 4-HB, 3-HP, 3-HH. 3-HV, 4-HV, 5-HV 및 6-HH로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 반복단위를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 PHA는 4-HB 반복단위를 0.1 중량% 내지 50 중량%로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA는 4-HB 반복단위를 0.1 중량% 내지 48 중량%, 0.1 중량% 내지 46 중량%, 0.5 중량% 내지 50 중량%, 10 중량% 내지 50 중량%, 20 중량% 내지 50 중량%, 25 중량% 내지 50 중량%, 0.1 중량% 내지 40 중량%, 0.5 중량% 내지 40 중량%, 1 중량% 내지 35 중량% 또는 5 중량% 내지 30 중량%로 포함할 수 있다.
4-HB 반복단위의 함량이 상기 범위를 만족함으로써, 압출 코팅 공정에 적합한 가공성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 4-HB 반복단위의 함량이 상기 범위를 만족함으로써, 열분해가 일어나지 않는 260℃ 이하의 온도, 더욱 구체적으로 150℃ 내지 260℃, 150℃ 내지 230℃ 또는 160℃ 내지 210℃의 온도에서도 가공이 가능한 우수한 압출 코팅성을 가질 수 있다. 또한, 4-HB 반복단위의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 결정화도가 너무 높아 압출기의 부하로 인해 가공이 어려우며, 50 중량%를 초과하는 경우 결정성이 너무 낮아 용융 수지막의 강도를 충분히 확보하기 어려워 가공이 원활히 수행될 수 없다.
또한, 상기 PHA는 4-HB 반복단위를 포함하면서, 상기 4-HB와 상이한 1개의 반복단위를 추가로 포함하거나, 서로 상이한 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 반복단위를 추가로 포함하는 PHA 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA는 폴리 3-하이드록시부티레이트-co-4-하이드록시부티레이트(이하, 3HB-co-4HB로 표기함)일 수 있다.
또한, 상기 PHA는 이성질체를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 PHA는 구조 이성질체, 거울상 이성질체 또는 기하 이성질체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 PHA는 구조 이성질체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 PHA는 결정성이 조절된 PHA 공중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA는 상기 4-HB 반복단위를 적어도 하나 이상 포함할 수 있고, 상기 4-HB 반복단위의 함량을 제어함으로써 상기 PHA의 결정성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 PHA는 3-하이드록시부티레이트(3-HB), 4-하이드록시부티레이트(4-HB), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP), 3-하이드록시헥사노에이트(3-HH), 3-하이드록시발레레이트(3-HV), 4-하이드록시발레레이트(4-HV), 5-하이드록시발레레이트(5-HV) 및 6-하이드록시헥사노에이트(6-HH)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 반복단위를 포함하는 PHA 공중합체일 수 있다.
구체적으로, 상기 PHA 공중합체는 4-HB 반복단위를 포함하면서, 3-HB 반복단위, 3-HP 반복단위, 3-HH 반복단위, 3-HV 반복단위, 4-HV 반복단위, 5-HV 반복단위 및 6-HH 반복단위로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 반복 단위를 추가로 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 PHA 공중합체는 4-HB 반복단위 및 3-HB 반복단위를 포함할 수 있다.
또한, 상기 PHA는 4-HB 반복단위 및 3-HB 반복단위를 포함하는 PHA 공중합체로서, 상기 3-HB 반복단위를 20 중량% 이상으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA는 상기 3-HB 반복단위를 35 중량% 이상, 40 중량% 이상 또는 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상 또는 75 중량% 이상으로 포함할 수 있으며, 99 중량% 이하, 98 중량% 이하, 97 중량% 이하, 96 중량% 이하, 95 중량% 이하, 93 중량% 이하, 91 중량% 이하, 90 중량% 이하, 80 중량% 이하, 70 중량% 이하, 60 중량% 이하 또는 55 중량% 이하로 포함할 수 있다.
상기 결정성이 조절된 PHA는 분자구조상 비규칙성을 증가시킴으로써 결정성과 비정질성이 조절된 것일 수 있으며, 구체적으로는 단량체의 종류 또는 비율이나 이성질체의 종류 또는 함량을 조절한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 PHA는 결정성이 서로 다른 2종 이상의 PHA를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 PHA는 결정성이 서로 다른 2종 이상의 PHA를 혼합하여 상기 특정 범위의 4-HB 반복단위의 함량을 갖도록 조절한 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 PHA는 반결정형 PHA인 제 1 PHA를 포함할 수 있고, 비정형 PHA인 제 2 PHA를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 PHA는 결정성이 조절된 반결정형 PHA일 수 있고, 상기 제 2 PHA는 결정성이 조절된 비정형 PHA일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 사용된 PHA는 상기 반결정형 PHA를 포함하거나, 또는 상기 비정형 PHA를 포함할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에서 사용된 PHA는 상기 반결정형 PHA 및 상기 비정형 PHA를 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 PHA의 유리 전이 온도(Tg)는 -45℃ 내지 80℃, -35℃ 내지 80℃, -30℃ 내지 80℃, -25℃ 내지 75℃, -20℃ 내지 70℃, -35℃ 내지 5℃, -25℃ 내지 5℃, -35℃ 내지 0℃, -25℃ 내지 0℃, -30℃ 내지 -10℃, -35℃ 내지 -15℃, -35℃ 내지 -20℃, -20℃ 내지 0℃, -15℃ 내지 0℃ 또는 -15℃ 내지 -5℃일 수 있다.
상기 PHA의 결정화 온도(Tc)는 측정되지 않거나, 60℃ 내지 120℃, 60℃ 내지 110℃, 70℃ 내지 120℃, 75℃ 내지 120℃, 75℃ 내지 115℃, 75℃ 내지 110℃ 또는 90℃ 내지 110℃일 수 있다.
상기 PHA의 용융 온도(Tm)는 측정되지 않거나, 100℃ 내지 170℃, 105℃ 내지 170℃, 105℃ 내지 165℃, 110℃ 내지 160℃, 115℃ 내지 155℃, 110℃ 내지 150℃, 120℃ 내지 150℃ 또는 120℃ 내지 140℃일 수 있다.
또한, 상기 PHA의 중량평균분자량은 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA의 중량평균분자량은 50,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol, 100,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol, 200,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol, 350,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol, 400,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol, 600,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol, 100,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol 또는 200,000 g/mol 내지 900,000 g/mol일 수 있다.
상기 PHA의 중량평균분자량이 30,000 g/mol 미만일 경우 용융강도가 너무 낮아 압출 코팅 공정에 따른 용융 수지막, 즉 코팅층을 형성하기 어렵고, 상기 PHA의 중량평균분자량이 1,200,000 g/mol를 초과하는 경우 압출기 내에서의 부하로 인해 가공이 어려울 수 있다.
또한, 상기 PHA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)는 0.5 g/10min 내지 60 g/10min일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA는 D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 0.5 g/10min 내지 40 g/10min, 0.7 g/10min 내지 35 g/10min, 0.9 g/10min 내지 35 g/10min, 1 g/10min 내지 35 g/10min, 1.5 g/10min 내지 30 g/10min, 3 g/10min 내지 30 g/10min, 0.7 g/10min 내지 15 g/10min, 0.8 g/10min 내지 10 g/10min, 1 g/10min 내지 8 g/10min, 1 g/10min 내지 5 g/10min, 20 g/10min 내지 60 g/10min, 0.5 g/10min 내지 5 g/10min, 0.5 g/10min 내지 3 g/10min 또는 2 g/10min 내지 15 g/10min일 수 있다. PHA의 용융흐름지수가 상기 범위를 만족함으로써, 열분해가 일어나지 않는 260℃ 이하의 온도, 더욱 구체적으로 150℃ 내지 260℃의 온도에서도 가공이 가능한 우수한 압출 코팅성을 가질 수 있다.
시차 주사 열용량 분석법(DSC, Differential Scanning Calorimeter)에 의해 측정된 상기 PHA의 결정화도는 90% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA의 결정화도는 시차 주사 열용량 분석법에 의해 측정된 것일 수 있고, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하 또는 70% 이하일 수 있다.
상기 PHA의 다분산지수(polydispersity index, PDI)가 3 미만일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA의 다분산지수는 2.5 이하, 2.1 이하 또는 2.0 이하일 수 있다.
상기 PHA는 비기계적인 방법 또는 화학적인 방법을 이용한 세포 파쇄(cell disruption)에 의해 수득된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 PHA는 미생물 세포 내에 축적되는 열가소성의 천연 폴리에스터 고분자로서 평균 입자 크기가 비교적 큰 편이므로, 목적하는 물질의 수율을 더욱 효과적으로 제어하고 공정 효율을 향상시키기 위해서 파쇄하는 공정을 통해 수득된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 PHA를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함한다. 예를 들어, PHA의 함량은 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물 총 중량을 기준으로 5 중량% 내지 90 중량%, 10 중량% 내지 95 중량%, 10 중량% 내지 90 중량%, 5 중량% 내지 80 중량% 또는 10 중량% 내지 80 중량%일 수 있다.
구체적으로, PHA의 함량이 상기 범위를 만족함으로써, 압출 코팅 공정에 적합한 가공성을 확보할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 PHA의 함량이 5 중량% 미만인 경우 용융 흐름성 및 생분해 속도가 낮아질 수 있으며, 저온에서의 크랙(crack)을 방지할 수 없다. 또한, 상기 PHA의 함량이 95 중량%를 초과하는 경우 PHA의 낮은 결정화 속도로 인해 기재 상에 제대로된 코팅층을 형성하기 어렵다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리락트산(PLA), 폴리부틸렌아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트(PBS), 열가소성 전분(TPS), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카프로락톤(PCL), 바이오(Bio) 유래 폴리에틸렌 및 바이오(Bio) 유래 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 PHA는 함께 사용되는 생분해성 수지들의 분해 속도를 촉진할 수 있으며, 상기 PHA를 폴리락트산(PLA), 폴리부틸렌아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트(PBS), 열가소성 전분(TPS), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카프로락톤(PCL), 바이오(Bio) 유래 폴리에틸렌 및 바이오(Bio) 유래 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상과 함께 사용함으로써, 산소나 수분과 같은 성분의 차단 효과를 제어할 수 있으므로, 산소 차단성 및 수분 차단성을 더욱 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리락트산(PLA)을 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 PHA 및 PLA를 포함할 수 있다. 상기 PHA와 함께 흐름성이 제어된 PLA를 함께 사용함으로써, 생분해성 및 압출 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 PLA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 3 g/10min 내지 40 g/10min일 수 있다. 예를 들어, 상기 PLA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 40 g/10min, 10 g/10min 내지 40 g/10min, 8 g/10min 내지 35 g/10min, 10 g/10min 내지 25 g/10min 또는 15 g/10min 내지 24 g/10min일 수 있다.
상기 PLA는 ASTM D1238에 따른 210℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 25 g/10min 내지 80 g/10min일 수 있다. 예를 들어, 상기 PLA는 ASTM D1238에 따른 210℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 26 g/10min 내지 65 g/10min, 30 g/10min 내지 62 g/10min, 35 g/10min 내지 80 g/10min 또는 40 g/10min 내지 60 g/10min일 수 있다.
상기 PLA는 유리 전이 온도(Tg)가 45℃ 내지 65℃일 수 있다. 예를 들어, 상기 PLA는 유리 전이 온도(Tg)가 45℃ 내지 60℃, 50℃ 내지 65℃ 또는 55℃ 내지 60℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 PLA를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함할 수 있다. 예를 들어, PLA의 함량은 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 95 중량%, 20 중량% 내지 95 중량%, 30 중량% 내지 95 중량%, 10 중량% 내지 90 중량%, 30 중량% 내지 90 중량%, 5 중량% 내지 80 중량% 또는 10 중량% 내지 80 중량%일 수 있다.
또한, 상기 PHA 및 상기 PLA의 중량비는 5 : 95 내지 95 : 5일 수 있다. 예를 들어, 상기 PHA 및 상기 PLA의 중량비는 5 : 95 내지 90 : 10, 10 : 90 내지 80 : 20, 20 : 80 내지 70 : 30, 50 : 50 내지 70 : 30 또는 5 : 95 내지 50 : 50일 수 있다.
PLA의 용융흐름지수 및 유리 전이 온도가 상기 범위를 만족함으로써, 압출 코팅 공정에 적합한 가공성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 PLA의 함량 및 PHA와의 중량비가 상기 범위를 만족함으로써, 압출 코팅 공정에 적합한 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물이 슬립제, 가소제, 산화방지제, 핵제, 활제 및 사슬연장제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 첨가제를 0.05 phr 내지 20 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제의 함량은 0.05 phr 내지 15 phr, 0.1 phr 내지 10 phr, 0.15 phr 내지 8 phr, 0.2 phr 내지 6 phr 또는 0.5 phr 내지 3 phr일 수 있다. 상기 phr(per hundred resin)은 고분자 100 중량부당 투입되는 물질의 투입량 단위를 의미한다(1 phr: 고분자가 100 g일 때 투입량 1 g).
상기 슬립제는 지방산 또는 이의 염, 왁스, 및 아미드계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬립제는 스테아르산 또는 이의 모노머, 올레인산 또는 이의 모노머, 팔미틴산 또는 이의 모노머, 실리콘, 지방산 알코올, 올레아미드, 에루카미드, 스테아라미드, 스테아르산 칼슘, 스테아르산 아연, 스테아르산 마그네슘, 스테아르산 알루미늄, 올레인산 칼륨, 올레인산 아연, 올레인산 마그네슘, 올레인산 알루미늄, 팔미틴산 칼슘, 팔미틴산 아연, 팔미틴산 마그네슘, 팔미틴산 알루미늄, 에틸렌비스(스테아르산 아미드)(ethylenebis(stearamide); EBS), 비즈 왁스(bees wax), 카나우바 왁스(carnauba wax) 및 칸델릴라 왁스(candelila wax)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 슬립제를 0.1 phr 내지 5 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬립제의 함량은 0.1 phr 내지 3 phr, 0.2 phr 내지 2.5 phr, 0.3 phr 내지 1.5 phr 또는 0.5 phr 내지 1.2 phr일 수 있다.
상기 가소제는 에틸아세테이트계, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate; TEC), 에루카마이드(erucamide), 올레아마이드(oleamide), 스테아라마이드(stearamide), 에폭시화 대두유(epoxidized soybean oil), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate; DBP), 카나우바 왁스(carnauba wax), 글리세롤 모노스테아레이트(glycerol mono stearate; GMS), 소르비톨계(sorbitol), 폴리비닐아세테이트계 폴리머 및 비닐아세테이트계 코폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 가소제를 0.05 phr 내지 10 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가소제의 함량은 0.1 phr 내지 8 phr, 0.1 phr 내지 5 phr, 0.2 phr 내지 2 phr 또는 0.5 phr 내지 1.5 phr일 수 있다.
상기 산화방지제는 오존이나 산소에 분해되는 것을 방지하거나 보관 시 산화를 방지하고, 물성 저하를 방지하기 위한 첨가제로서, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 한, 통상적으로 사용되는 산화방지제를 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 산화 방지제는 힌더드 페놀계 산화 방지제 및 포스파이트계(인계) 산화 방지제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 힌더드 페놀계 산화 방지제는, 예를 들어 4,4'-메틸렌-비스(2,6-디-t-부틸페놀), 옥타데실-3-(3,5-디-t-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리트리톨 테트라키스[3-(3,5-디-t-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트), 3,9-비스[2-[3-(3-tert-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)프로피오닐옥시]-1,1-디메틸에틸]-2,4,8,10-테트라옥사스피로[5.5]운데칸으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 포스파이트계(인계) 산화 방지제는, 예를 들어 트리스-(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 비스-(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨-디포스파이트, 비스-(2,6-디-t-부틸-4-메틸페닐)펜타에리트리톨-디포스파이트, 디스테아릴-펜타에리트리톨-디포스파이트, [비스(2,4-디-t-부틸-5-메틸페녹시)포스피노]비페닐, 및 N,N-비스[2-[[2,4,8,10-테트라키스(1,1-디메틸에틸)디벤조[d,f][1,3,2]디옥시포스페핀-6-일]옥시]-에틸]에탄아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 산화방지제를 0.05 phr 내지 10 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 산화방지제의 함량은 0.1 phr 내지 3 phr, 0.2 phr 내지 2.5 phr, 0.3 phr 내지 1.5 phr 또는 0.5 phr 내지 1.2 phr일 수 있다.
상기 핵제는 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물의 결정성을 더욱 효과적으로 제어할 수 있는 것으로, 이를 이용한 제조 공정에서 가공 속도와 같은 공정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 핵제는 탄산염, 규산염 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 핵제는 탄산칼슘, 실리카, 탈크, 보론 나이트라이드, 셀룰로오스, 소르비톨 유도체 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 핵제를 0.1 phr 내지 20 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 핵제의 함량은 1 phr 내지 20 phr, 3 phr 내지 18 phr, 5 phr 내지 15 phr 또는 6 phr 내지 10 phr일 수 있다.
상기 활제는 수지간의 접합이나 친화력을 강화시킬 수 있고, 압출시 발생되는 마찰열을 감소하여 열분해를 방지하는 동시에 원활한 압출 공정을 수행할 수 있도록 첨가되는 성분으로서, 기계적 물성은 기초 소재와 유사하게 유지하면서 원활한 작업성을 제공해줄 수 있다. 예를 들어, 상기 활제는 환경친화도가 높은 천연물인 스테아린산염, 팔미트산염 및 라우르산염으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 소르비톨(sorbitol)계가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 활제를 0.05 phr 내지 10 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활제의 함량은 0.05 phr 내지 5 phr, 0.1 phr 내지 3.5 phr, 0.2 phr 내지 3 phr, 0.5 phr 내지 2.5 phr 또는 1 phr 내지 2 phr일 수 있다.
상기 사슬연장제는 2,5-디메틸-2,5-(디-(tert-부틸퍼옥시)헥산)(2,5-dimethtyl-2,5-(di-(tert-butylperoxy)hexane; DTBPH), 피로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride; PMDA), 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate; HMDI), 디쿠밀퍼옥사이드(dicumyl peroxide; DCP), 폴리카보디이미드(polycarbodiimide; PCDI), 디-(tert-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠(di-(tert-butylperoxyisopropyl)benzene; DTBPIB), 에폭사이드계, 폴리아마이드계 및 옥사졸린계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 사슬연장제를 0.05 phr 내지 5 phr로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 사슬연장제의 함량은 0.05 phr 내지 4 phr, 0.1 phr 내지 3 phr, 0.15 phr 내지 2 phr, 0.2 phr 내지 1.5 phr 또는 0.2 phr 내지 1 phr일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min, 5 g/10min 내지 50 g/10min, 5 g/10min 내지 42 g/10min, 7 g/10min 내지 45 g/10min, 7 g/10min 내지 30 g/10min, 7 g/10min 내지 25 g/10min, 8 g/10min 내지 60 g/10min, 10 g/10min 내지 60 g/10min, 14 g/10min 내지 60 g/10min, 15 g/10min 내지 60 g/10min, 20 g/10min 내지 60 g/10min, 8 g/10min 내지 40 g/10min, 10 g/10min 내지 40 g/10min 또는 10 g/10min 내지 35 g/10min일 수 있다.
상기 용융흐름지수가 상기 범위를 만족함으로써 압출 코팅 공정에 적합한 가공성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 용융흐름지수가 5 g/10min 미만일 경우, 필름 압출과 같이 표면 결정화와 고화가 빠르게 진행되어 기재와의 충분한 접착성을 확보하기 어렵다. 이에, 주로 사용되는 종이나 부직포와 같은 기재와의 충분한 접착성을 확보하기 위해 가공 온도를 적어도 260℃ 이상으로 올려야 한다.
그러나, 260℃ 이상의 온도에서는 대부분의 생분해성 수지들의 용융강도가 낮아져 고속가공이 불가능하며, 열분해가 일어나거나 흐름성이 불안정해져서 가공이 원활히 수행될 수 없다. 또한, 상기 용융흐름지수가 60 g/10min를 초과하는 경우, 수지의 용융강도가 낮아져 코팅층 즉, 용융 수지막이 형성되기 어렵고, 용융 수지막이 형성되더라도 가공 속도를 올릴 경우 용융 수지막의 약한 부분에서 두께가 불안정하게 늘어나 두께의 균일성이 매우 낮아질 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 하기 식 1에 따른 점도 감소율(S)이 25% 내지 99%일 수 있다.
[식 1] S = ((S100-S1)/S1) × 100
상기 식 1에서,
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 210℃에서 전단속도(shear rate, 1/s) 1 내지 100으로 점도를 측정했을 때, S1은 전단속도 1에서 측정된 점도(Pa·s)이고, S100은 전단속도 100에서 측정된 점도(Pa·s)이다.
예를 들어, 상기 식 1에 따른 점도 감소율(S)은 25% 내지 98%, 30 % 내지 97%, 40% 내지 95 %, 42% 내지 98%, 42% 내지 95%, 40% 내지 90 %, 50% 내지 87% 또는 55% 내지 85% 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 식 1에 따른 점도 감소율이 상기 범위를 만족함으로써, 종래보다 낮은 압출 공정 온도인 210℃에서도 압출 공정에 적합한 흐름성을 확보할 수 있다.
상기 전단속도는 회전형 레오미터(rotational rheometer)로 측정된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 S1은 50 Pa·s 내지 1200 Pa·s일 수 있고, 상기 S100은 30 Pa·s 내지 300 Pa·s일 수 있다. 예를 들어, 상기 S1은 50 Pa·s 내지 1000 Pa·s, 50 Pa·s 내지 900 Pa·s, 50 Pa·s 내지 850 Pa·s, 50 Pa·s 내지 750 Pa·s, 50 Pa·s 내지 500 Pa·s, 100 Pa·s 내지 600 Pa·s, 120 Pa·s 내지 550 Pa·s 또는 150 Pa·s 내지 400 Pa·s일 수 있고, 상기 S100은 45 Pa·s 내지 200 Pa·s, 50 Pa·s 내지 150 Pa·s, 60 Pa·s 내지 100 Pa·s 또는 70 Pa·s 내지 90 Pa·s일 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 210℃에서 전단속도(shear rate, 1/s) 10으로 측정된 점도(S10)가 40 Pa·s 내지 800 Pa·s, 50 Pa·s 내지 650 Pa·s, 55 Pa·s 내지 500 Pa·s, 60 Pa·s 내지 400 Pa·s 또는 70 Pa·s 내지 350 Pa·s일 수 있다.
상기 S1, S10 및 S100이 상기 범위를 만족함으로써, 압출 코팅 공정에 적합한 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출코팅용 생분해성 수지 조성물과 종래에 압출 코팅 수지로 사용된 PLA, PE 및 PP의 레올로지 측정 결과를 나타낸 것이다.
구체적으로, 상기 PHA를 포함하는 압출코팅용 생분해성 수지 조성물과 PLA, PE 및 PP에 대하여, 회전형 레오미터를 이용하여 전단속도(shear rate, 1/s) 1 내지 100에서의 점도(viscosity)를 측정하였다. 이때, 상기 압출코팅용 생분해성 수지 조성물의 측정 온도는 210℃이었고, PLA의 측정 온도는 240℃이었으며, PE 및 PP의 측정 온도는 300℃이었다.
도 4에서 보는 바와 같이, 전단 속도 1 내지 100에서의 점도 감소율을 살펴보면, 본 발명의 압출코팅용 생분해성 수지 조성물의 점도 감소율이 PE 보다 낮은 온도에서 가공되었음에도 PE의 점도 감소율과 유사한 흐름성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 종래에 압출 코팅 수지로 사용된 PE와 유사한 흐름성을 가질 수 있으며, 열분해가 일어나지 않는 260℃ 이하의 온도, 더욱 구체적으로 210℃의 온도에서도 가공이 가능한 우수한 압출 코팅성을 갖는다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 하기 식 2에 따른 펄프화 수율(P, repulping value, %)이 40% 이상일 수 있다.
[식 2] P = ((24-R)/24) × 100
상기 식 2에서,
R은 종이 기재(평량: 30 g/m2 내지 500 g/m2) 상에 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 이용하여 생분해성 코팅층을 형성한 생분해성 적층체의 건조 샘플 24 g에 대하여, 물에 1.2% 농도로 해리된 슬러리(해리 에너지 소비량: 20 kWh/t)를 0.15 mm의 슬릿 형태의 스크린에 10 L/min으로 15분 동안 순환시켰을 때, 잔류한 물질의 건조 질량(g)이다.
예를 들어, 상기 식 2에 따른 펄프화 수율은 42% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상일 수 있다. 상기 식 2에 따른 펄프화 수율이 상기 범위를 만족함으로써, 생분해성이 우수하여 재활용성을 더욱 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 펄프화 수율은 사용되는 종이 기재의 평량에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 식 2에서 종이 기재의 평량이 30 g/m2 내지 500 g/m2일 때, 상기 식 2에 따른 펄프화 수율은 42% 이상, 45% 이상, 55% 이상 또는 65% 이상일 수 있고, 32% 내지 99%, 45% 내지 98%, 55% 내지 96%, 60% 내지 95% 또는 70% 내지 92%일 수 있다.
또한, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 ASTM D 6866-20 Method B(AMS)에 따른 방사성 탄소동위원소함량을 기준으로 바이오 탄소 함량이 25% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 ASTM D 6866-20 Method B(AMS)에 따른 방사성 탄소동위원소함량을 기준으로 바이오 탄소 함량이 28% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상 또는 45% 이상일 수 있다.
생분해성 적층체
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생분해성 적층체는 기재층; 및 상기 기재층의 적어도 일면에 생분해성 코팅층을 포함하고, 상기 생분해성 코팅층이 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하는 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물로 형성되고, 상기 생분해성 수지 조성물은 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol이다.
상기 생분해성 적층체는 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물로 형성되는 생분해성 코팅층을 포함함으로써, 식품, 산업, 화장품 등에 적용 가능한 토양 및 해양 생분해 포장 재료로 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 생분해성 적층체는 제품을 포장하기 위한 친환경 포장재에 적용될 수 있으며, 커피, 컵밥, 컵라면, 건어물 등과 같은 식품 포장재나 마스크 포장재, 제약 포장재 등으로 사용될 수 있고, 1차 포장제품을 보호하기 위한 2차 포장재에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 생분해성 적층체는 산소, 수분 차단성이나 씰링성이 요구되는 우유팩과 같은 종이팩으로도 사용되는 경우 우수한 효과를 발휘할 수 있고, 상기 생분해 적층체를 이용한 포장재 제작 형태로는 파우치, 종이 용기, 시트 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 생분해성 적층체를 적용한 포장재는 토양 및 해양 생분해가 가능하여 자연 상태에 버려질 경우, 특히 해양에 버려질 경우에도 생분해를 위한 별도의 조건 없이 미생물 등에 의해 분해될 수 있다.
상기 기재층은 코팅성 향상 면에서 단일 소재의 기재인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 기재는 종이, 크라프트지, 직물 또는 부직포일 수 있고, 폴리 올레핀 필름, PET 필름, 나일론 필름, 면, 금속박, 목재일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 기재가 종이나 크라프트지를 포함하는 경우, 다른 플라스틱 재질보다 생분해성이 우수하여 친환경 포장재를 제공하는 데에 더욱 유리할 수 있다.
상기 기재층의 두께는 15 ㎛ 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 기재층의 두께는 15 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 70 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 130 ㎛ 이상, 150 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 300 ㎛ 이상 또는 500 ㎛ 이상일 수 있다.
또한, 상기 기재층의 평량은 30 g/m2 내지 500 g/m2일 수 있다. 예를 들어, 상기 기재층은 종이, 크라프트지, 직물, 편물 또는 부직포일 수 있고, 상기 기재의 평량은 30 g/m2 내지 500 g/m2, 30 g/m2 내지 350 g/m2, 30 g/m2 내지 200 g/m2, 50 g/m2 내지 200 g/m2, 80 g/m2 내지 200 g/m2, 100 g/m2 내지 200 g/m2, 130 g/m2 내지 190 g/m2, 150 g/m2 내지 185 g/m2 또는 120 g/m2 내지 320 g/m2일 수 있다.
한편, 상기 기재층의 적어도 일면 상에는 배리어층이 배치될 수 있으며, 상기 기재층은 표면 상에 수분 및/또는 산소의 차단성을 갖도록 친환경 차단막이 코팅되어 있거나, 대전 방지 성능, 또는 접착 성능이 있는 기능성 코팅층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 기능성 코팅층은 프라이머 코팅층 및 접착 코팅층을 포함할 수 있으며, 이들은 본 발명에서 목적하는 효과를 저해하지 않는 한, 통상적으로 사용되는 재질 및 물성을 가질 수 있다.
상기 생분해성 코팅층의 두께는 5 ㎛ 내지 70 ㎛, 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 5 ㎛ 내지 40 ㎛ 또는 6 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
상기 생분해성 코팅층의 열 접착강도(씰링강도)는 500 gf 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 생분해성 코팅층의 열 접착강도(씰링강도)는 600 gf 이상, 800 gf 이상, 1,000 gf 이상 또는 1,200 gf 이상일 수 있다. 압출 코팅 공정에 따른 생분해성 코팅층의 열 접착강도가 500gf 미만인 경우 포장재로서 적용이 불가능할 수 있으머, 낮은 중량의 포장재에만 사용되는 등 용도가 제한적일 수 있다.
상기 생분해성 코팅층의 박리강도는 200 gf 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 생분해성 코팅층의 박리강도는 300 gf 이상, 350 gf 이상, 400 gf 이상 또는 500 gf 이상일 수 있다.
생분해성 적층체의 제조 방법
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생분해성 적층체의 제조 방법은 압출 코팅용 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 생분해성 수지 조성물을 기재의 적어도 일면에 압출 코팅하여 생분해성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고, 상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol이다.
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
상기 기재의 적어도 일면에 코팅되는 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물의 코팅량은 6 g/m2 내지 120 g/m2, 6 g/m2 내지 100 g/m2, 8 g/m2 내지 80 g/m2, 9 g/m2 내지 70 g/m2, 10 g/m2 내지 60 g/m2, 12 g/m2 내지 60 g/m2일 또는 13 g/m2 내지 45 g/m2일 수 있다. 코팅량이 상기 범위를 만족함으로써, 코팅성, 생산성 및 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 코팅 단계가 150℃ 내지 260℃에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 단계는 압출 코팅 단계일 수 있고, 150℃ 내지 250℃, 150℃ 내지 240℃ 또는 160℃ 내지 210℃에서 수행될 수 있다. 상기 코팅 단계, 구체적으로 압출 코팅 단계는 종래의 300℃에 비해서 낮은 온도에서 수행되면서도 충분한 열 접착강도 및 흐름성을 확보할 수 있다.
압출 코팅의 경우 높은 가공 속도에서 낮은 코팅량을 필요로 하기 때문에 용융강도가 낮을 경우 고속 가공을 할 수 없으므로 얇은 두께의 코팅층 생성이 어려울 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 낮은 온도에서도 충분한 물성, 보다 구체적으로 용융점도와 같은 흐름성을 확보할 수 있기 때문에 얇은 두께의 코팅층도 생성할 수 있다.
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
압출 코팅용 생분해성 수지 조성물의 제조
실시예 1-1
폴리락트산 수지(PLA, 제조사: TotalEnergies corbion, 중량평균분자량(Mw): 120,000 g/mol 내지 250,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI): 10 g/10min 내지 40 g/10min) 및 폴리하이드록시알카노에이트(PHA(Poly(3-hydroxybutylrate-co-4-hydroxybutylrate), 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 0.1 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 2 g/10min 내지 15 g/10min)를 95 : 5의 중량비로 혼합하고, 에폭사이드계 사슬연장제 1 phr 및 소르비톨(sorbitol)계 활제 2 phr을 투입하여 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 25 g/10min)을 제조하였다. 이때, 상기 phr(per hundred resin)은 고분자 100 중량부당 투입되는 물질의 투입량 단위를 의미한다(1 phr: 고분자가 100 g일 때 투입량 1 g).
실시예 1-2
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 24 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-3
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 PLA와 80 : 20의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 17 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-4
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 120,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 20 g/10min 내지 60 g/10min)를 PLA와 50 : 50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 42 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-5
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 PLA와 50 : 50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 14 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-6
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 1,200,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 0.5 g/10min 내지 3 g/10min)를 PLA와 50 : 50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 7 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-7
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 PLA와 30 : 70의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 10 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-8
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 0.1 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 2 g/10min 내지 15 g/10min)를 PLA와 5 : 95의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 5 g/10min)을 제조하였다.
실시예 1-9
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 PLA와 5 : 95의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 5 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-1
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 0.1 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 PLA와 97 : 3의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 24 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-2
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 PLA와 97 : 3의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 22 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-3
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 25,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 30 g/10min 내지 90 g/10min)를 PLA와 80 : 20의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 42 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-4
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 0.05 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol)를 PLA와 50 : 50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 13 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-5
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 64 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol)를 PLA와 50 : 50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 11 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-6
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 1,400,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 0.5 g/10min 내지 2 g/10min)를 PLA와 50 : 50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 5 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-7
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 0.05 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol)를 PLA와 30 : 70의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 8 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-8
폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 25,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 30 g/10min 내지 90 g/10min)를 PLA와 5 : 95의 중량비로 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 68 g/10min)을 제조하였다.
비교예 1-9
PLA와 혼합하지 않고, 폴리하이드록시알카노에이트(PHA, 4-하이드록시부티레이트(4-HB)의 함량: 46 중량%, 중량평균분자량 (Mw): 600,000 g/mol, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수: 1 g/10min 내지 5 g/10min)를 100 중량부로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물(190℃ 및 2.16kg에서의 용융흐름지수: 3 g/10min)을 제조하였다.
평가예 1-1: 융융흐름지수
상기 실시예 1-1 내지 1-9 및 비교예 1-1 내지 1-9의 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물에 대해서, ASTM D1238에 따라 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)를 측정하였다.
평가예 1-2: 레올로지 분석
상기 실시예 1-1 내지 1-9 및 비교예 1-1 내지 1-9의 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물에 대해서, 회전형 레오미터(rotational rheometer, 상품명: MCR102e, 제조사: Anton paar)를 이용하여 레올로지를 분석하였다.
구체적으로, 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물에 대하여, 레오미터(상품명: MCR102e, 제조사: Anton paar)를 이용하여 210℃에서 전단속도(shear rate, 1/s) 1 내지 100으로 점도를 측정하였다. 이때, 하기 식 1에 따라 점도 감소율(S)을 계산하였으며, 이를 통해 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물의 레올로지 즉, 흐름성을 평가하였다.
[식 1] S = ((S100-S1)/S1) × 100
상기 식 1에서,
상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 210℃에서 전단속도(shear rate, 1/s) 1 내지 100으로 점도를 측정했을 때, S1은 전단속도 1에서 측정된 점도(Pa·s)이고, S100은 전단속도 100에서 측정된 점도(Pa·s)이다.
구분 PHA : PLA의
중량비
PHA 압출 코팅용
생분해성 수지 조성물
4-HB의 함량
(중량%)
Mw
(g/mol)
MI
(g/10min)
점도
감소율(%)
실시예 1-1 5 : 95 0.1 600,000 25 98.0
실시예 1-2 5 : 95 46 600,000 24 94.0
실시예 1-3 20 : 80 46 600,000 17 83.0
실시예 1-4 50 : 50 46 120,000 42 98.0
실시예 1-5 50 : 50 46 600,000 14 81.0
실시예 1-6 50 : 50 46 1,200,000 7 42.0
실시예 1-7 70 : 30 46 600,000 10 78.0
실시예 1-8 95 : 5 0.1 600,000 5 98.0
실시예 1-9 95 : 5 46 600,000 5 90.0
비교예 1-1 3 : 97 0.1 600,000 24 99.5
비교예 1-2 3 : 97 46 600,000 22 99.4
비교예 1-3 20 : 80 46 25,000 42 99.9
비교예 1-4 50 : 50 0.05 600,000 13 99.8
비교예 1-5 50 : 50 64 600,000 11 78.0
비교예 1-6 50 : 50 46 1,400,000 5 34.0
비교예 1-7 70 : 30 0.05 600,000 8 99.7
비교예 1-8 95 : 5 46 25,000 68 99.9
비교예 1-9 100 : 0 46 600,000 3 94.0
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1-1 내지 1-9의 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수 및 점도 감소율이 모두 바람직한 범위를 만족함으로써, 압출 가공 공정에 적합한 레올로지 특성, 특히 흐름성을 갖는다. 특히, 열분해가 일어나지 않는 260℃ 이하의 온도, 210℃의 온도에서도 가공이 가능한 우수한 압출 코팅성을 갖는다.
생분해성 적층체의 제조
실시예 2-1
종이 포장재 제작용 압출 코팅 설비인 120Φ 압출기(1,600 mm 폭 다이)를 이용하여 상기 실시예 1-1의 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 종이 기재(제조사: 한국제지, 평량: 280 g/m2, 폭: 1,000 mm, 두께: 0.352 mm)의 일면에 압출 코팅하여 생분해성 코팅층(두께: 0.045 mm)을 포함하는 생분해성 적층체를 제조하였다. 이때, 가공 온도는 210℃이었고, 쿨링롤의 온도는 23℃이었으며, 가공 속도는 10 m/min에서 시작하여 90 m/min까지 올리면서 압출 코팅을 수행하였다.
실시예 2-2 내지 2-9 및 비교예 2-1 내지 2-9
실시예 1-2 내지 1-9 및 비교예 1-1 내지 1-9의 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 생분해성 적층체를 제조하였다. 단, 비교예 2-1 내지 2-4 및 2-6 내지 2-8은 상기 공정 조건에서 코팅층의 형성이 불가능하였다.
도 2는 비교예 2-1의 압출 코팅 공정에서 코팅층이 형성되지 않는 것을 나타낸 사진이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 비교예 2-1은 용융강도가 낮아 용융 수지막 즉, 코팅층에 홀(hole)이 발생하고 흐름성의 불균일로 인해 제대로된 코팅층이 형성되지 않았다.
평가예 2-1: 가공성
상기 실시예 2-1 내지 2-9 및 비교예 2-1 내지 2-9의 생분해성 적층체에 대해서, 코팅의 가공성을 평가하였다.
구체적으로, 종이 용기 제작용 압출 코팅 설비인 120Φ 압출기(1,600 mm 폭 다이)를 이용하여 가공 속도를 10 m/min에서 시작하여 90 m/min까지 점차 올리면서 압출 코팅을 수행할 때, 형성되는 코팅면의 상태를 육안으로 확인하여, 기포가 발생되는 등 코팅면이 불균일하게 되는 직전의 속도를 측정하였다. 이때, 불균일한 코팅면이 발견되는 가공 속도가 60 m/min 이상인 경우를 ○로 표시하였고, 불균일한 코팅면이 발견되는 가공 속도가 60 m/min 미만인 경우를 ×로 표시하였다.
도 1은 실시예 2-1 및 비교예 2-1의 평가예 2-1에 따른 가공성 평가 결과를 나타낸 사진이다. 도 1에서 보는 바와 같이 실시예 2-1은 코팅면이 균일한 반면, 비교예 2-1은 코팅면이 불균일한 것을 확인하였다.
평가예 2-2: 박리강도
상기 실시예 2-1 내지 2-9, 비교예 2-5 및 2-9의 생분해성 적층체를 폭 515 mm 및 길이 30 mm로 절단하여 샘플을 제조한 후, 만능재료시험기(상품명: 34SC-1, 제조사: Instron)를 이용하여 200 mm/min의 속도에서 기재와 생분해성 코팅층 사이의 박리강도를 측정하였다.
평가예 2-3: 열 접착강도
상기 실시예 2-1 내지 2-9, 비교예 2-5 및 2-9의 생분해성 적층체를 폭 15 mm 및 길이 30 mm로 절단하여 샘플을 제조한 후, 만능재료시험기(상품명: 34SC-1, 제조사: Instron)를 이용하여 기재와 생분해성 코팅층 사이의 열 접착강도(씰링강도)를 200 mm/min의 속도에서 측정하였다. 이때, 기재와 생분해성 코팅층 사이의 씰링은 140℃의 온도에서 1초 동안 수행되었다.
평가예 2-4: 재활용성
상기 실시예 2-1 내지 2-9 및 비교예 2-1 내지 2-9의 생분해성 적층체에 대해서, 종이 기반 제품의 재활용성을 위한 UL2485 환경 클레임 검증 절차(ECVP)를 이용하여 재활용성을 평가하였다.
구체적으로, 상기 생분해성 적층체를 상온에서 24시간 동안 건조한 후, 24 g의 샘플을 준비하였다. 상기 샘플을 전력측정장비가 부착된 표준 해리기를 이용하여 농도가 1.2%가 되도록 조절한 후, 해리 에너지 소비량이 20 kWh/t에 도달할 때까지 해리하였다. 상기 해리된 슬러리 형태의 샘플을 스크린 선별기에 투입하고 총 30 L의 물을 유량 10 L/min으로 15분 동안 순환시키면서 정션 처리하였다. 이때, 상기 스크린 선별기에서 0.15 mm 크기의 슬릿 형태 스크린을 통과한 물질은 200 메시(mesh)의 체(sieve)를 이용하여 추가 정션 처리하고 순환되는 물에 포함되지 않도록 하였다.
상기 200 메시 체에 잔류된 물질을 상기 200 메시 체를 통과한 미세분이 포함된 순환용 체스트에 넣고 충분히 교반한 후 3 L의 현탁액을 채취하였다. 상기 채취한 현탁액은 건조 무게를 알고 있는 여과지를 이용하여 여과 장치로 여과한 후 KS M ISO 638의 8 절에 따라 건조하여 무게를 정량하여, 하기 식 2에 따라 펄프화 수율(P, repulping value, %)을 계산하여 재활용성을 평가하였다.
[식 2] P = ((24-R)/24) × 100
식 2에서,
R은 종이 기재(평량: 280 g/m2, 폭: 1,000 mm, 두께: 0.352 mm) 상에 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 이용하여 0.045 mm의 생분해성 코팅층을 형성한 생분해성 적층체의 건조 샘플 24 g에 대하여, 물에 1.2% 농도로 해리된 슬러리(해리 에너지 소비량: 20 kWh/t)를 0.15 mm의 슬릿 형태의 스크린에 10 L/min으로 15분 동안 순환시켰을 때, 잔류한 물질의 건조 질량(g)이다.
구분 가공성 박리강도
(gf)
씰링강도
(gf)
펄프화 수율
(%)
코팅면의 불균일 발견시 가공 속도(m/min) 평가
결과
실시예 2-1 70 630 1,000 72
실시예 2-2 70 580 1,800 77
실시예 2-3 80 540 1,400 87
실시예 2-4 60 730 600 85
실시예 2-5 70 460 1,250 80
실시예 2-6 90 300 1,800 75
실시예 2-7 80 400 1,000 81
실시예 2-8 60 500 750 78
실시예 2-9 60 450 800 77
비교예 2-1 - × - - -
비교예 2-2 - × - - -
비교예 2-3 - × - - -
비교예 2-4 - × - - -
비교예 2-5 20 × 300 1,000 82
비교예 2-6 - × - - -
비교예 2-7 - × - - -
비교예 2-8 - × - - -
비교예 2-9 10 × 80 450 85
* 생분해성 코팅층이 형성되지 않아 측정되지 않은 경우 "-"로 표시하였다.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 2-1 내지 2-9의 생분해성 적층체는 가공성, 박리강도, 씰링강도 및 재활용성이 모두 우수하였다. 구체적으로, 실시예 2-1 내지 2-9의 생분해성 적층체는 실시예 1-1 내지 1-9의 생분해성 수지 조성물을 이용하여 제조된 생분해성 코팅층을 포함함으로써, 종래보다 낮은 210℃의 낮은 가공 온도 및 60 m/min 이상의 가공 속도에서 코팅면이 균일한 코팅층을 형성할 수 있었고, 기재와의 박리강도 및 씰링강도가 우수함은 물론, 펄프화 수율 또한 높아 재활용성이 우수하였다.
반면, 비교예 2-1 내지 2-3 및 2-8은 흐름성이 낮은 비교예 1-1 내지 1-3 및 1-8의 생분해성 수지 조성물을 이용함으로써, 상기 공정 조건에서 코팅층의 형성이 불가능하였고, 비교예 2-4, 2-6 및 2-7은 압출기 부하 문제로 코팅 작업이 불가능하였다. 또한, 비교예 2-5 및 2-9는 코팅층의 형성은 가능하였으나, 실시예 2-1 내지 2-9에 비해서 매우 낮은 가공 속도에서도 코팅면이 불균일하여 가공성이 낮고 품질이 낮았다. 특히, 비교예 2-9는 박리강도 및 씰링강도 또한 실시예 2-1 내지 2-9에 비해서 매우 낮았다.

Claims (16)

  1. 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고,
    ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고,
    상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하기 식 1에 따른 점도 감소율(S)이 25% 내지 99%인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물:
    [식 1] S = ((S100-S1)/S1) × 100
    상기 식 1에서,
    상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 210℃에서 전단속도(shear rate, 1/s) 1 내지 100으로 점도를 측정했을 때, S1은 전단속도 1에서 측정된 점도(Pa·s)이고, S100은 전단속도 100에서 측정된 점도(Pa·s)이다.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 S1은 50 Pa·s 내지 1200 Pa·s이고, 상기 S100은 30 Pa·s 내지 300 Pa·s 인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하기 식 2에 따른 펄프화 수율(P, repulping value, %)이 40% 이상인, 압출코팅용 생분해성 수지 조성물:
    [식 2] P = ((24-R)/24) × 100
    상기 식 2에서,
    R은 종이 기재(평량: 30 g/m2 내지 500 g/m2) 상에 상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 이용하여 생분해성 코팅층을 형성한 생분해성 적층체의 건조 샘플 24 g에 대하여, 물에 1.2% 농도로 해리된 슬러리(해리 에너지 소비량: 20 kWh/t)를 0.15 mm의 슬릿 형태의 스크린에 10 L/min으로 15분 동안 순환시켰을 때, 잔류한 물질의 건조 질량(g)이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    ASTM D 6866-20 Method B(AMS)에 따른 방사성 탄소동위원소함량을 기준으로 바이오 탄소 함량이 25% 이상인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 4-하이드록시부티레이트(4-HB) 반복단위를 0.1 중량% 내지 50 중량%로 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 PHA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 0.5 g/10min 내지 60 g/10min인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 PHA가 3-하이드록시부티레이트(3-HB), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP), 3-하이드록시헥사노에이트(3-HH), 3-하이드록시발레레이트(3-HV), 4-하이드록시발레레이트(4-HV), 4-하이드록시부티레이트(4-HB), 5-하이드록시발레레이트(5-HV) 및 6-하이드록시헥사노에이트(6-HH)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 반복단위를 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 생분해성 수지 조성물은 폴리락트산(PLA), 폴리부틸렌아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트(PBS), 열가소성 전분(TPS), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카프로락톤(PCL), 바이오(Bio) 유래 폴리에틸렌 및 바이오(Bio) 유래 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물이 폴리락트산(PLA)을 더 포함하고,
    상기 PLA는 PLA는 ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 3 g/10min 내지 40 g/10min이고, ASTM D1238에 따른 210℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 25 g/10min 내지 80 g/10min이고, 유리 전이 온도(Tg)가 45℃ 내지 65℃인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 PHA 및 상기 PLA의 중량비가 5 : 95 내지 95 : 5인, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물이 슬립제, 가소제, 산화방지제, 핵제, 활제, 용융강도 향상제 및 사슬연장제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 상기 첨가제를 0.05 phr 내지 20 phr로 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 가소제는 에틸아세테이트계, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate; TEC), 에루카마이드(erucamide), 올레아마이드(oleamide), 스테아라마이드(stearamide), 에폭시화 대두유(epoxidized soybean oil), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate; DBP), 카나우바 왁스(carnauba wax), 글리세롤 모노스테아레이트(glycerol mono stearate; GMS), 소르비톨계(sorbitol), 폴리비닐아세테이트계 폴리머 및 비닐아세테이트계 코폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 사슬연장제는 2,5-디메틸-2,5-(디-(tert-부틸퍼옥시)헥산)(2,5-dimethtyl-2,5-(di-(tert-butylperoxy)hexane; DTBPH), 피로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride; PMDA), 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate; HMDI), 디쿠밀퍼옥사이드(dicumyl peroxide; DCP), 폴리카보디이미드(polycarbodiimide; PCDI), 디-(tert-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠(di-(tert-butylperoxyisopropyl)benzene; DTBPIB), 에폭사이드계, 폴리아마이드계 및 옥사졸린계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물.
  16. 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물을 준비하는 단계; 및
    상기 생분해성 수지 조성물을 기재의 적어도 일면에 압출 코팅하여 생분해성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 압출 코팅용 생분해성 수지 조성물은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 수지를 5 중량% 내지 95 중량%로 포함하고, ASTM D1238에 따른 190℃ 및 2.16 kg에서의 용융흐름지수(MI)가 5 g/10min 내지 60 g/10min이고,
    상기 PHA는 중량평균분자량이 30,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol인, 생분해성 적층체의 제조 방법.
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