KR100713329B1 - 고광택 종이 코팅용 수성코팅제 조성물 및 이를 이용한코팅방법 - Google Patents
고광택 종이 코팅용 수성코팅제 조성물 및 이를 이용한코팅방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고광택 종이 코팅용 수성코팅제의 조성물과 코팅방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유리전이온도가 -30∼0℃인 수지보강 에멀젼수지와 유리전이온도가 90∼120℃인 수지보강 에멀젼수지를 고형분 중량기준으로 1 : 0.1∼0.4로 혼합하고, 중량평균 분자량이 12,000이하이고 분자량 분포가 2.5이하이며 유리전이온도가 90∼120℃인 알칼리 수용성 수지와 상기의 혼합된 수지보강 에멀젼수지를 고형분 중량기준으로 1 : 1∼2을 혼합하여 수성코팅제를 제조하고, 이를 종이 위에 균일하게 도포하여 건조한 후 일정 압력하에서 70∼90℃의 온도의 칼렌다를 통과시켜 고광택이고 부착력과 내마모성이 우수한 종이 제품을 얻을 수 있는 방법에 관한 것이다.
수성코팅제, 종이, 칼렌다, 수지보강 에멀젼수지, 알칼리 수용성 수지
Description
본 발명은 고광택 종이 코팅용 수성코팅제 조성물 및 이를 이용한 코팅방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유리전이온도가 -30∼0℃인 수지보강 에멀젼수지 (Resin Fortified Emulsion)와 유리전이온도가 90∼120℃인 수지보강 에멀젼수지를 고형분 중량기준으로 1 : 0.1∼0.4로 혼합하고, 중량평균 분자량이 12,000 이하이고 분자량 분포가 2.5이하이며 유리전이온도가 90∼120℃인 알칼리 수용성수지(Alkali Soluble Resin)와 상기의 혼합된 수지보강 에멀젼수지를 고형분 중량 기준으로 1 : 1∼2을 혼합한 수성코팅제와 이를 종이 위에 균일하게 도포하여 건조한 후 일정 압력하에서 70∼90℃의 온도의 칼렌다(Calendar)를 통과시켜 고광택이고 부착력과 내마모성이 우수한 종이 제품을 얻을 수 있는 방법에 관한 것이다.
현재 국내에서 생산되는 종이포장지는 인쇄면의 광택을 높이고 표면을 보호하기 위하여 인쇄면 위에 폴리에틸렌 등의 필름을 부착하거나 폴리스티렌 등의 수 지를 유기용매에 녹여서 코팅하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 필름을 부착하는 방법은 종이의 재활용이 불가능하거나 매우 어렵기 때문에 사용후 매립 또는 소각하게 되어 환경보호와 자원재활용 측면에서 바람직하지 못하고, 따라서 점차 그 사용이 줄어들고 있는 추세이다. 또한 유기용매에 고분자물질을 녹여서 종이 위에 코팅하는 방법은 우수한 물성과 우수한 작업성 때문에 선호하는 방법이기는 하지만 유기용제 사용시 배출되는 유기물질들로 인해 대기오염의 주요인으로 인식되어 지고 있으며 인체에 유해하며 가연성이기 때문에 화재의 위험성이 높은 실정이다.
이러한 단점을 해결하기 위한 방법으로 제안되는 것들 중 하나가 물을 용매 혹은 분산매로 사용하여 제조한 수성코팅제를 사용하는 것으로 유기용매에 기초한 코팅제와는 달리 인체에 무해하며 화재나 폭발의 위험성도 없는 장점을 가지고 있다.
이러한 물을 기초로 한 고광택 종이를 얻기 위한 수성코팅제를 제조하기 위하여 많은 시도가 이루어져 왔는데 미국특허 제4,317,849호에서는 유리전이온도가 38℃이상인 고분자 라텍스(A)와 유리전이온도가 5∼25℃인 고분자 라텍스(B)를 고형분 중량비로 1 : 0.1∼1의 비율로 혼합하여 코팅제를 제조하여 종이 위에 도포하고 건조한 후 고분자 라텍스(A)의 유리전이온도보다 낮지 않은 온도와 가압상태인 칼렌다에 통과시켜 고광택의 종이를 얻을 수 있는 방법을 제시하였다. 그러나 상기 방법으로 얻은 종이의 광택은 현재 일반적으로 사용하는 유기용매에 기초한 제품에 비해 현저히 낮다는 단점이 있다.
또한, 미국특허 제5,215,812호에서는 적어도 80℃ 이상의 유리전이온도를 가 지는 고분자 라텍스를 제조하여 종이 위에 도포하고 건조한 후, 고분자 라텍스의 유리전이온도보다 낮은 온도와 가압상태인 칼렌다에 통과시켜 고광택의 종이를 얻을 수 있는 방법을 제시하였다. 그러나 상기 방법은 높은 유리전이온도를 갖는 고분자 라텍스를 유리전이온도보다 낮은 온도의 칼렌다에 통과시켰기 때문에 종이 위에서 고분자물질이 연속상을 이루지 못하고 구형의 입자모양을 그대로 가지고 있게 되어 부착력이 좋지 못하다는 단점을 가지고 있다. 또한, 이전의 방법에 비해 광택이 많이 개선되기는 하였으나 유기용매를 기초로 한 제품에 비해서는 광택이 좋지 못하다는 단점을 가지고 있다.
일반적으로 수성코팅의 방법을 통해서 얻는 종이의 광택을 높이기 위해서는 수성코팅제의 고형분을 증가시키는 방법이 효과적이라고 알려져 있다. 그러나 이러한 기술을 활용하기 위해서는 고형분의 증가에 따른 점도상승의 문제를 해결해야 한다. 즉, 수성코팅제의 고형분이 증가하게 되면 점도가 급격히 증가하게 되고, 점도가 높은 수성코팅제는 종이 위에 도포하기가 매우 힘들게 되므로 실제로 이용가능성이 거의 없어지게 된다. 수성코팅제를 종이 위에 도포하기에 적당한 점도는 ASTM D4212 규정에 의해 제작된 4번 점도컵으로 10∼15초의 낙하속도를 갖는 정도가 좋으며, 이보다 빠르거나 늦은 낙하속도를 갖는 수성코팅제는 점도가 너무 낮거나 높아서 종이 위에 균일하게 도포하기가 어렵다.
이상에서 언급한 것과 같이, 고광택의 종이를 얻기 위한 수성코팅제는 적절한 고분자 물질의 선택과 고(高) 고형분이어야 하며 동시에 적절한 점도범위를 가져야 하지만 아직까지는 이러한 조건을 모두 만족하는 기술이 공개되어 있지 않은 실정이다.
이에 본 발명자들은 수성코팅제를 이용하여 고광택의 종이를 얻기 위한 연구를 수행한 결과, 기존의 고분자 라텍스와는 다른 특성을 가지는 고분자 물질들을 이용하여 광택, 부착성, 내마모성 등이 우수하며, 고형분 함량이 높으면서도 적절한 점도 범위를 갖는 수성코팅제를 개발하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존에 공개된 기술에 의해 얻을 수 있는 고광택의 종이제품보다 우수한 광택과 부착성, 내마모성 등이 우수한 종이제품을 얻을 수 있는 수성코팅제 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 종이 제품에 코팅하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고광택 종이 코팅용 수성코팅제 조성물은 중량평균 분자량이 12,000이하이고, 분자량 분포가 2.5이하이며, 유리전이온도가 90∼120℃인 알칼리 수용성 수지와, 유리전이온도가 -30∼0℃인 수지보강 에멀젼수지와 유리전이온도가 90∼120℃인 수지보강 에멀젼수지를 고형분 중량기준으로 1 : 0.1∼0.4로 혼합한 수지보강 에멀젼수지가 고형분 중량기준으로 1 : 1∼2의 비율로 혼합된 것으로 구성된다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코팅방법은 상기 수성코팅제를 종이 위에 균일하게 도포하여 건조한 후 일정 압력하에서 70∼90℃의 온도의 칼렌 다(Calendar)를 통과시키는 것으로 이루어진다.
이하 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 수성코팅제에 사용되는 고분자 물질들은 다음과 같은 특성을 가진다.
알칼리 수용성 수지(Alkali Soluble Resin)는 분자 내에 카르복실기 (Carboxylic functional group)를 가지고 있어서, 하이드록시기(Hydroxy functional group)가 존재하는 알칼리수 내에서 중화반응에 의해 용해가 이루어지는 고분자 물질로서 종이 위에 도포되었을 때 광택을 높이는 역할을 수행하게 된다. 본 발명에 사용되는 알칼리 수용성 수지는 중량평균분자량이 12,000 이하, 바람직하게는 10,000이하, 더욱 바람직하게는 8,000이하이고, 분자량분포는 2.5이하, 바람직하게는 2.3이하, 더욱 바람직하게는 2.1이하이다. 분자량이 12,000을 초과할 경우에는 수성코팅제의 점도가 일반적인 코팅시 사용되는 점도보다 높아지기 때문에 종이 위에 도포하기가 어려워지는 단점이 있으며, 분자량분포가 2.5을 초과하는 경우에는 비록 중량평균분자량이 12,000 이하일지라도 수성코팅제의 점도를 상승시켜 종이 위에 도포하기가 어렵게 되는 단점이 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 알칼리 수용성 수지는 유리전이온도가 90∼120℃인 특징을 가지는데, 유리전이온도가 120℃를 초과하는 경우에는 도막이 브리틀 (brittle)하고 부착력과 내마모성이 떨어지는 단점이 있으며, 유리전이온도가 90℃ 미만인 경우는 70∼90℃ 온도의 칼렌다를 통과하는 과정에서 도포면과 칼렌다가 붙 착하는 문제가 발생하고 광택도 좋지 못하다.
본 발명에서 사용되는 수지보강 에멀젼수지(Resin Fortified Emulsion)는 앞서 언급한 알칼리 수용성 수지를 계면활성제로 사용하여 중합장소를 제공하는 에멀젼 중합의 방법으로 제조된 수지로서 스티렌, 아크릴산, 메타크릴산, 메틸메타아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이크, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 부틸메타아크릴레이트 등의 단독중합체 또는 공중합체를 의미한다. 일반적인 유화중합 방법을 이용하여 제조한 에멀젼은 저분자량의 계면활성제를 사용하기 때문에 도막 형성 후에 시간이 지날수록 계면활성제의 이탈현상이 일어나 광택의 저하되고 부착력이 저하되는 단점을 가지고 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 수지보강 에멀젼수지는 유리전이온도가 -30∼0℃인 수지와 유리전이온도가 90∼120℃인 수지를 고형분의 중량기준으로 1 : 0.1∼0.4의 비율로 혼합하여 사용하였는데, 수지의 비율이 1 : 0.4를 초과하는 경우에는 수성코팅제가 종이 위에 도포되고 건조되었을 때 연속상을 형성하지 못하여 종이와의 부착력이 저하되고 내마모성이 나빠지는 단점이 있고, 수지의 비율이 1 : 0.1 미만인 경우에는 70∼90℃ 온도의 칼렌다를 통과하는 과정에서 도포면과 칼렌다가 붙는 문제가 발생하고 광택도 좋지 못하다.
본 발명의 결과로부터 얻을 수 있는 수성코팅제는 알칼리 수용성 수지와 수지보강 에멀젼수지의 고형분 중량비로 1 : 1∼2로 구성되는데 중량비가 1 : 2를 초과하는 경우에는 70∼90℃ 온도의 칼렌다를 통과하는 과정에서 도포면과 칼렌다가 붙착하는 문제가 발생하고 광택도 좋지 못한 단점이 있고, 중량비가 1 : 1 미만인 경우에는 수성코팅제가 종이 위에 도포되고 건조되었을 때 연속상을 형성하지 못하여 종이와의 부착력과 내마모성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 결과로 얻은 수성코팅제를 종이의 인쇄면 위에 도포하는 방법으로는 바코터(Bar Coater), 나이프코터(Knife Coater), 에어나이프코터(Air-knife Coater), 롤코터(roll coater) 등 인쇄면 위에 수성코팅제를 균일하게 도포할 수 있는 방법이면 어떠한 방법으로도 가능하며, 건조방법으로는 자연건조, 열풍건조, 상온에서 바람을 이용한 건조 등의 방법이 가능하다.
한편, 인쇄면 위의 수성코팅제가 건조된 후에는 일정한 온도와 일정한 압력하의 칼렌더(Calendar)를 통과시켜 광택의 효과를 더욱 향상시키는데, 온도는 70∼90℃가 적당하다. 온도가 70℃ 미만인 경우에는 광택의 개선효과가 크지 않으며 90℃를 초과하는 경우에는 수성코팅액의 도포면과 칼렌다가 서로 붙어서 작업성이 좋지 않을 뿐만 아니라 광택도 좋지 못하다. 또한, 도포된 고분자 물질들을 고르게 펴주며 평활성을 높여주기 위하여 적어도 10kgf/㎠ 이상의 일정한 압력을 가한다. 10kgf/㎠ 이하의 압력하에서는 고분자 물질들이 충분히 고르게 펴지지 못하게 되어 평활성이 낮아지며 결과적으로 광택의 개선효과가 크지 않게된다.
본 발명에 따른 수성코팅제는 유리전이온도가 낮은 고분자 물질들이 혼합되어 있음에도 불구하고, 종이 인쇄면에 도포하고 건조한 후에 70∼90℃의 온도와 압력이 가해진 상태에서 칼렌더를 통과시켰을 때 칼렌더와 도포면이 붙지 않는 특이한 현상을 발견할 수 있다. 이러한 원인에 대해서는 아직까지 확실하게 밝혀진 바가 없으나, 본 발명을 통해서 관찰된 사실에 기초하여 다음과 같은 설명을 할 수 있다. 즉, 고분자 물질의 유리전이온도보다 높은 온도의 칼렌더를 통과할 때는 고분자물질이 유연해져서 칼렌더의 표면에 붙는 현상이 일반적이지만, 본 발명에서 사용한 유리전이온도가 -30∼0℃인 수지보강 에멀젼수지는 유리전이온도가 90∼120℃인 수지보강 에멀젼수지와 유리전이온도가 90∼120℃인 알칼리 수용성수지와 혼합, 사용되어, 높은 유리전이온도의 고분자 물질들이 낮은 유리전이온도의 고분자물질이 칼렌다에 붙지 않도록 하는 이른바 블록킹(Blocking) 작용을 한 것으로 생각할 수 있다. 따라서 낮은 유리전이온도를 가진 고분자 물질은 칼렌다에 붙지 않고 종이면 위에서 연속상을 형성할 수 있고, 여기에 높은 유리전이온도를 가진 고분자 물질들이 분산상을 이루어 광택의 효과를 높여주고 연속상 형성으로 인해 부착력과 내마모성이 좋아지는 것으로 생각할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 내마모성을 더욱 향상시키기 위해서 폴리에틸렌 왁스에멀젼 또는 파라핀 왁스에멀젼 단독 또는 이들의 혼합물을 수용성 코팅제 100중량부 기준으로 0.5∼4phr, 바람직하게는 1∼3phr, 더욱 바람직하게는 2∼3phr을 사용하는데, 4phr를 초과하는 경우에는 광택을 저하시킬 우려가 있고, 0.5phr 미만이로 사용하는 경우에는 내마모성이 크게 개선되지 않는다. 아울러, 수성코팅액의 제조시 또는 종이면 위에 도포시 작업성을 향상시키기 위해서 소포제, 음이온계 유화제, 이온성 가교제 등을 소량 첨가할 수도 있으며, 첨가방법 및 사용량은 일반적인 방법을 따를 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 사용된 물성측정방법은 다음과 같다.
- 점도: ASTM D 4212 표준에 적합하도록 제작된 점도컵 4번에 가득 담긴 수성코팅제가 점도컵의 아래부부에 위치한 구멍을 통해 모두 빠져나가는 시간을 측정하였다.
- 광택: ASTM D 523 표준에 적합하도록 제작된 BYK-Gardner사의 광택계를 사용하여 60°광택을 측정하였다. 종이 자체의 광택과 수성코팅제를 도포하고 건조한 후의 광택, 그리고 칼렌더를 통과한 이후의 광택을 모두 측정하였다.
- 부착력: 수성코팅제를 도포하고 건조한 후 칼렌더를 통과한 시료를 크로스 헷치 커터(Cross Hatch Cutter)를 이용하여 도막면에 100개의 정사각형 홈을 만들고 점착테이프로 붙였다가 떨어지는 개수를 세어서 부착력을 측정하였다.
- 내마모성: ASTM D 4060의 표준에 적합하도록 제작된 Sheen사의 Abraser Tester를 사용하였으며 모직 소재의 천으로 100번 문지른 후 무게를 측정하였다.
- 고형분 함량: 일정 중량의 시료를 90℃, -750mmHg의 진공오븐에 넣고 3시간 동안 건조시킨 후에 무게를 측정하여 고형분 함량을 하기 수학식 1에 의해 계산하였다.
실시예 1
열교환기가 설치되고 자켓으로 온도조절이 가능한 반응기에 탈이온수 58 part와 한화석유화학(주)의 알칼리 수용성 수지인 Soluryl-70수지(중량평균분자량: 6800, 분자량분포: 2.0, 유리전이온도: 105℃) 33part를 넣고 28% 암모니아수 9part를 천천히 적하한 후, 80℃에서 3시간 이상 교반하여 33% 알칼리 수용성 수지 용액을 제조한다.
교반설비가 잘 갖추어진 용기에 한화석유화학(주)의 수지보강 에멀젼수지인 Soluryl R-20수지(유리전이온도: -16℃, 고형분: 50%) 44part, 한화석유화학(주)의 수지보강 에멀젼수지인 Soluryl R-90수지(유리전이온도: 98℃, 고형분: 50%) 11part, 상기에서 제조한 33% 알칼리 수용성 수지 용액 45part를 넣고 잘 섞이도록 충분히 교반한다. 여기에 S. C. Johnson Polymer사의 폴리에틸렌왁스에멀젼인 Jonwax-26 (고형분 26%) 8.5phr, 음이온성 유화제로 Aerosol OT-75(Cytec 사) 1.5 phr, 소포제로 Nopco NDW (한국 산노프코사) 1 phr, 10% ZnO 수용액 2 phr 등을 넣고 충분히 교반한다. ASTM D 4212 표준에 의해 제작된 점도컵 4번(SHEEN사의 Zhan Cup 405/4)으로 낙하속도가 12∼14초 정도가 되도록 탈이온수를 첨가하여 최종적으로 고형분함량이 36%인 수성코팅제를 제조하였다.
상기의 수성코팅제를 롤코터를 사용하여 360 g/㎡의 아트지 위에 건조기준으로 10 g/㎡의 양을 도포하고 상온에서 바람을 이용하여 건조하였다. 건조 후 수성코팅제가 도포된 아트지를 100 kgf/㎠의 압력과 85℃의 온도로 가열된 스테인레스 스틸 재질의 칼렌더(Calendar)에 통과시켜 코팅작업을 완료하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일하나 수성코팅제의 도포방법을 바코터(Bar Coater)를 사용하여 360g/㎡의 아트지 위에 건조기준으로 10 g/㎡의 양을 도포하고 60℃에서 열풍건 조 하고, 건조 후 수성코팅제가 도포된 아트지를 100 kgf/㎠의 압력과 75℃의 온도로 가열된 스테인레스 스틸 재질의 칼렌더(Calendar)에 통과시켜 코팅작업을 완료하는 것만 다르게 하였다.
비교예 1 및 2
수성코팅제가 도포된 종이를 각각 120℃와 60℃의 칼렌더에 통과시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
하기 표 1에 실시예 1∼2, 및 비교예 1∼2의 결과로 부터 얻은 종이제품의 물성을 정리하였다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 고형분(%) | 36 | 36 | 36 | 36 |
| 점도(초) | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 |
| 칼렌더 온도(℃) | 85 | 75 | 120 | 60 |
| 칼렌더와 접착여부 | 접착안됨 | 접착안됨 | 접착됨 | 접착안됨 |
| 건조후 광택(60°) | 62 | 62 | 62 | 62 |
| 칼렌더 통과후 광택(60°) | 85 | 82 | 56 | 73 |
| 부착력(%) | 100 | 99 | 99 | 100 |
| 내마모성(%) | 89 | 88 | 88 | 90 |
상기 표 1에서 실시예 1 및 2를 통해 얻은 수성코팅제를 사용하여 코팅을 한 결과 광택이 상당히 우수하고 부착력과 내마모성이 우수한 종이 제품을 얻을 수 있었다. 그러나 칼렌더의 온도가 너무 낮을 경우 광택의 개선효과가 그리 크지 않았으며 칼렌더의 온도가 너무 높을 경우에는 종이 위에 도포된 수성코팅제가 칼렌다에 붙는 현상이 발생하여 작업성이 좋지 않을 뿐 아니라 광택면에서도 오히려 좋지 못한 결과를 가져옴을 알 수 있었다. 참고로 360 g/㎡의 아트지 자체의 광택은 60°광택계로 약 30 정도이며, 유기용매에 기초하여 코팅한 경우의 광택은 60°광택 계로 약 85∼90 정도이다.
실시예 3
열교환기가 설치되고 자켓으로 온도조절이 가능한 반응기에 탈이온수 58 part와 한화석유화학(주)의 알칼리 수용성 수지인 Soluryl-50수지(중량평균분자량: 4800, 분자량분포: 2.0, 유리전이온도: 98℃) 33 part를 넣고 28% 암모니아수 9 part를 천천히 적하한 후, 80℃에서 3시간 이상 교반하여 33% 알칼리 수용성 수지 용액을 제조한다.
교반설비가 잘 갖추어진 용기에 한화석유화학(주)의 수지보강 에멀젼수지인 Soluryl R-20수지(유리전이온도: -16℃, 고형분: 50%) 39part, 한화석유화학(주)의 수지보강 에멀젼수지인 Soluryl R-90수지(유리전이온도: 98℃, 고형분: 50%) 9 part, 상기에서 제조한 33% 알칼리 수용성 수지 용액 52 part를 넣고 잘 섞이도록 충분히 교반한다. 여기에 미국 Michelman사의 파라핀/폴리에틸렌왁스에멀젼인 ME-62330 (고형분 30%) 7.5phr, 음이온성 유화제로 ANION DO#113(동남화성) 1.5 phr, 소포제로 Nopco NDW (한국 산노프코사) 1 phr, 10% ZnO 수용액 2 phr 등을 넣고 충분히 교반한다. ASTM D 4212 표준에 의해 제작된 점도컵 4번(SHEEN사의 Zhan Cup 405/4)으로 낙하속도가 12∼14초 정도가 되도록 탈이온수를 첨가하여 최종적으로 고형분함량이 40%인 수성코팅제를 제조하였다. 이 후의 코팅작업은 실시예 1과 동일하다.
실시예 4
알칼리 수용성 수지로 한화석유화학(주)의 Soluryl-70 수지 대신 S. C. Johnson Polymer사의 Joncryl-678수지(중량평균분자량: 8500, 분자량분포: 2.0, 유리전이온도: 90℃)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다. 최종 수성코팅제의 고형분함량은 33% 이었다.
실시예 5
알칼리 수용성 수지로 한화석유화학(주)의 Soluryl-70 수지 대신 한화석유화학㈜의 Soluryl-120수지(중량평균분자량: 11500, 분자량분포: 2.0, 유리전이온도: 110℃)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다. 최종 수성코팅제의 고형분함량은 30% 이었다.
비교예 3
자켓이 설치되어 온도제어가 가능한 연속반응기(Continuous Stirred Tank Reactor)에서 스티렌과 아크릴산을 7 : 3의 비율로 하여 유리전이온도 105℃, 중량평균분자량이 15,000, 분자량 분포가 2.0이 되도록 알칼리수용성 수지를 제조하였으며, 이와 같이 합성한 알칼리 수용성 수지를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 모든 것이 동일하다. 단, 제조된 수성코팅제의 점도를 앞서 언급한 점도컵으로 12∼14초 정도가 되도록 탈이온수를 실시예 1보다 더 첨가하였으며 이로부터 얻은 수성코팅제의 최종 고형분 함량은 26%이었다.
비교예 4
자켓이 설치되어 온도제어가 가능한 연속반응기(Continuous Stirred Tank Reactor)에서 스티렌과 아크릴산을 7 : 3의 비율로 하여 유리전이온도 105℃, 중량평균분자량이 10,000, 분자량 분포가 3.0이 되도록 알칼리수용성 수지를 제조하였 으며, 이와 같이 합성한 알칼리수용성 수지를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 모든 것이 동일하다. 단, 제조된 수성코팅제의 점도를 앞서 언급한 점도컵으로 12∼14초 정도가 되도록 탈이온수를 실시예 1보다 더 첨가하였으며 이로부터 얻은 수성코팅제의 최종 고형분 함량은 27%이었다.
하기 표 2에 실시예 3∼5, 및 비교예 3∼4의 결과로 부터 얻은 종이 제품의 물성을 정리하였다.
| 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 비교예 3 | 비교예 4 | |
| 고형분(%) | 40 | 33 | 30 | 26 | 27 |
| 점도(초) | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 |
| 칼렌더 온도(℃) | 85 | 85 | 85 | 85 | 85 |
| 칼렌더와 접착여부 | 접착안됨 | 접착안됨 | 접착안됨 | 접착안됨 | 접착안됨 |
| 건조후 광택(60°) | 68 | 61 | 58 | 50 | 51 |
| 칼렌더 통과후 광택(60°) | 91 | 81 | 78 | 70 | 73 |
| 부착력(%) | 98 | 99 | 99 | 100 | 99 |
| 내마모성(%) | 91 | 89 | 90 | 90 | 91 |
상기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 중량평균 분자량이 12,000 미만이고 분자량분포가 2.5 미만이며 유리전이온도가 90∼120℃ 사이의 특징을 갖는 다양한 알칼리 수용성 수지를 사용한 결과, 모두 우수한 광택, 부착력, 내마모성을 나타내었으며, 특히 고형분 함량이 높을수록 광택의 개선효과가 뚜렷하게 나타남을 알 수 있었다. 그러나, 알칼리 수용성 수지의 중량평균 분자량이 높은 경우나 또는 분자량분포가 넓은 경우에는 적절한 점도범위를 갖도록 하기 위하여 추가로 첨가하는 탈이온수의 양이 너무 많아서 고형분함량이 낮아지는 결과를 가져왔으며 따라서 광택이 크게 우수하지 않음을 알 수 있었다.
실시예 6
수지보강 에멀젼수지로 한화석유화학(주)의 Soluryl R-20, Soluryl R-90 수지 대신 S. C. Johnson Polymer사의 Joncryl-74 (유리전이온도: -16℃, 고형분 함량: 48.5%), Joncryl-89(유리전이온도: 95℃, 고형분 함량: 48%)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하다. 최종 수성코팅제의 고형분함량은 32% 이었다.
비교예 5
수지보강 에멀젼수지인 Soluryl R-20 및 Soluryl R-90의 사용량을 각각 32 part, 23 part 사용하는 것을 제외하고는 모든 것이 실시예 1과 동일하다.
비교예 6
수지보강 에멀젼수지인 Soluryl R-20 및 Soluryl R-90의 사용량을 각각 52 part, 3 part 사용하는 것을 제외하고는 모든 것이 실시예 2와 동일하다.
하기 표 3에 실시예 6과 비교예 5∼6의 결과로부터 얻은 종이제품의 물성을 정리하였다.
| 실시예 6 | 비교예 5 | 비교예 6 | ||
| 고형분(%) | 32 | 36 | 36 | |
| 점도(초) | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 | |
| 칼렌더 온도(℃) | 75 | 85 | 75 | |
| 칼렌더와 접착여부 | 접착안됨 | 접착안됨 | 접착됨 | |
| 건조후 광택(60°) | 61 | 64 | 62 | |
| 칼렌더 통과후 광택(60°) | 81 | 83 | 65 | |
| 부착력(%) | 100 | 92 | 100 | |
| 내마모성(%) | 89 | 78 | 90 | |
상기 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, -30∼0℃ 및 90∼120℃의 유리전이온도를 갖는 수지보강 에멀젼수지의 종류를 바꾸었을 경우에도 광택, 부착력 및 내마모성이 우수한 종이제품을 얻을 수 있음을 확인하였다. 그러나 유리전이온도 가 높은 수지보강 에멀젼수지의 함량 높아진 경우에는(비교예 5) 광택은 우수하지만 부착력 및 내마모성이 좋지 못하였으며 반대로 유리전이온도가 낮은 수지보강 에멀젼수지의 함량 높아진 경우에는(비교예 6) 부착력 및 내마모성은 양호하지만 광택이 좋지 못하였다는 것을 알 수 있었다.
비교예 7
33% Soluryl-70 알칼리 수용액, Soluryl R-20 및 Soluryl R-90의 사용량을 각각 32 part, 53 part, 15 part 사용하는 것을 제외하고는 모든 것이 실시예 2와 동일하다. 최종 수성코팅제의 고형분함량은 37% 이었다.
비교예 8
33% Soluryl-70 알칼리 수용액, Soluryl R-20 및 Soluryl R-90의 사용량을 각각 73 part, 22 part, 5 part 사용하는 것을 제외하고는 모든 것이 실시예 1과 동일하다. 최종 수성코팅제의 고형분함량은 32% 이었다.
비교예 9 및 10
폴리에틸렌 왁스에멀젼(S. C. Johnson Polymer사의 Jonwax-26, 고형분 26%) 사용량을 각각 1 phr, 20 phr 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 모든 것이 동일하다.
하기 표 4에 비교예 7∼10의 결과로부터 얻은 종이제품의 물성을 정리하였다.
| 비교예 7 | 비교예 8 | 비교예 9 | 비교예 10 | |
| 고형분(%) | 37 | 32 | 36 | 36 |
| 점도(초) | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 | 12∼14 |
| 칼렌더 온도(℃) | 75 | 85 | 85 | 85 |
| 칼렌더와 접착여부 | 접착됨 | 접착안됨 | 접착안됨 | 접착안됨 |
| 건조후 광택(60°) | 60 | 63 | 62 | 62 |
| 칼렌더 통과후 광택(60°) | 61 | 82 | 82 | 75 |
| 부착력(%) | 100 | 88 | 99 | 100 |
| 내마모성(%) | 90 | 82 | 90 | 96 |
상기 표 4에서 보는 바와 같이, 수지보강 에멀젼의 함량이 높은 경우에는 유리전이온도가 낮은 수지의 함량이 증가하여 종이 위에 도포된 수성코팅제가 칼렌다에 붙는 현상이 발생하였으며, 따라서 작업성이 좋지 않으며 광택면에서도 좋지 못한 결과를 가져옴을 알 수 있었다. 반대로 알칼리 수용성 수지의 함량이 높은 경우에는 광택은 우수하였으나 종이면 위에 유리전이온도가 낮은 수지가 충분하게 연속상을 형성하지 못하여 부착력과 내마모성이 좋지 않은 결과를 보임을 알 수 있었다.
한편, 왁스에멀젼을 조금 사용하였을 경우에는 내마모성의 개선효과가 크지 않았으며, 내마모성을 더욱 개선하기 위해서는 왁스에멀젼의 사용량을 늘리는 것이 효과적이나 광택이 저하되는 결과를 보임을 알 수 있었다.
이상의 실시예와 비교예에서 알 수 있듯이, 알칼리 수용성수지와 수지보강 에멀젼수지 등 종래의 기술과는 다른 고분자물질들을 사용하여 종래의 수성코팅 기술보다 우수한 광택과 우수한 부착력 및 내마모성을 가지는 수성코팅제를 제조할 수 있었으며 이를 실제로 필름을 종이 위에 부착하거나 유기용매에 고분자물질을 녹여서 코팅하는 종이포장지 업체에 적용한다면 환경보호와 재활용측면에서 매우 바람직하고, 인체 및 화재에 대한 위험성을 줄일 수 있을 것이다. 또한 점도 범위 또한 기존의 산업체에서 사용하는 물질과 유사한 정도로 맞추어져 있으므로 관련 업계에 적용성이 매우 높을 것이다.
Claims (4)
- 중량평균 분자량이 12,000이하이고, 분자량 분포가 2.5이하이며, 유리전이온도가 90∼120℃인 알칼리 수용성 수지와, 유리전이온도가 -30∼0℃인 수지보강 에멀젼수지와 유리전이온도가 90∼120℃인 수지보강 에멀젼수지를 고형분 중량기준으로 1 : 0.1∼0.4로 혼합한 수지보강 에멀젼수지가 고형분 중량기준으로 1 : 1∼2의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 고광택 종이 코팅용 수성코팅제 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 수성코팅제 조성물은 폴리에틸렌 왁스에멀젼 또는 파라핀 왁스에멀젼을 단독 또는 혼합하여, 상기 수용성 코팅제 100중량부에 대해 0.5∼4phr을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 수지보강 에멀젼수지는 스티렌, 아크릴산, 메타크릴산, 메틸메타아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이크, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트 또는 부틸메타아크릴레이트의 단독중합체 또는 이들의 공중합체임을 특징으로 하는 조성물.
- 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 따른 수성코팅제를 종이 위에 균일하게 도포하여 건조한 후 일정 압력하에서 70∼90℃의 온도의 칼렌다를 통과시키는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
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