KR102287463B1

KR102287463B1 - 폴리비닐알코올계 친환경 수용성 필름 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102287463B1
Application number: KR1020200150337A
Authority: KR
Inventors: 이유식; 이경민
Original assignee: 이유식; 이경민
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-11-11

Abstract

본 발명은 고가수분해성 폴리비닐알코올 수지 블렌드; 및 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함하며, 기체차단성, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등의 제반물성이 현저히 개선된 수용성 필름 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

폴리비닐알코올계 친환경 수용성 필름 및 그 제조방법{ECO-FRIENDLY WATER-SOLUBLE FILM COMPRISING POLYVINYL ALCOHOL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고가수분해성 폴리비닐알코올계 친환경 수용성 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함하여 높은 가수분해성과 더불어 기체차단성, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등의 제반물성이 개선된 수용성 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.

플라스틱은 오늘날 일상에서 매우 중요한 소재로서 사용되고 있다. 그러나 소수성을 지닌 플라스틱은 인류와 생태계에 유해한 오염 문제를 일으켜 전 세계 인류의 삶에 큰 영향을 미치고 있다. 일례로, 전 세계에서 사용되는 플라스틱 총량의 15% 미만 정도가 재활용되고 있으며, 재활용되지 않고 폐기되는 85% 정도의 플라스틱은 쉽게 분해되지 않기 때문에, 인류가 통제할 수 없을 정도의 환경 파괴 및 재앙을 만들고 있는 실정이다.

소수성 플라스틱을 친수성 제품으로 대체하고자, 폴리비닐알코올 (polyvinyl alcohol, PVOH, PVA) 기반의 친환경 제품이 개발되고 있다. 이러한 폴리비닐알코올은 폴리비닐 아세테이트를 가수분해하여 제조되는데, 이때 가수분해도는 중합체의 성질에 영향을 미친다. 종래 산업계에서는 가수분해도가 88% 정도의 폴리비닐알코올을 주로 사용하였는데, 대부분의 폴리비닐알코올(PVOH) 필름은 낮은 가수분해도로 인해 대략 30℃ 전후의 물에 가용되는 세제보호용 포드로서 제한적으로 사용되었다. 그리고 가공하기 위한 처리비용 역시 높았다.

또한 폴리비닐알코올 필름은 기본적으로 수분을 흡수하는 흡습성을 가지고 있다. 이에 따라, 현재 시판되고 있는 폴리비닐알코올계 제품 역시 과한 흡습시에 주름 발생이나 블로킹 현상이 발생되므로, 최종 제품의 물성 저하가 필수적으로 초래되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 폴리비닐알코올계 수지 블렌드에 저밀도 폴리에틸렌을 소정의 조성비로 배합함과 동시에, 필름의 제조공정 설비 및 그 조건을 특정 범위로 제어하여 최적화함으로써, 기체차단성, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등의 제반물성이 개선된 수용성 필름 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 설명될 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 블렌드; 및 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함하며, ASTM D3985 규격에 의한 산소투과도 평가에서, 상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 LDPE를 포함하는 수용성 필름의 투산소율(OTR_L) 값은, 저밀도 폴리에틸렌을 비(非)포함하는 수용성 필름의 투산소율(OTR_C) 값을 기준으로 70% 이하인 수용성 필름을 제공한다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 수용성 필름의 투산소율(OTR) 값은 0.08 cc/m/day 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, ASTM D2457 규격에 의해 측정된 수용성 필름의 20° 광택도 및 60° 광택도는 각각 100 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 수용성 필름의 ASTM D 1894 규격에 의해 측정된 슬립 마찰계수(COF)는 0.26 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 수용성 필름의 ASTM F88 규격에 의한 175 내지 190℃의 열접착강도는 250 내지 1,000 gf/15 mm 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 폴리비닐알코올 수지는 수평균분자량(Mn)이 5,000 내지 120,000 g/mol이고, 중합도가 1,000 내지 9,000일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드는 가소제, 충전제, 계면활성제, 블록방지제 및 물로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 융점(Tm)이 100 내지 115℃이고, 유리전이온도(Tg)가 -120 내지 -110℃이고, 용융지수(MI)가 5 내지 15g/10분이고, 밀도가 0.9 내지 1.1 g/cm³일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 상기 저밀도 폴리에틸렌의 함량 비율은 당해 수용성 필름의 총 중량을 기준으로 98.0 : 2.0 내지 99.5 : 0.5 중량비일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 수용성 필름의 두께는 15 내지 100 ㎛ 이고, 폭은 150 내지 1,500 mm일 수 있다.

또한 본 발명은 전술한 수용성 필름을 포함하는 수용성 물품을 제공한다.

아울러, 본 발명은 98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 블렌드와, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)를 포함하는 원료를 준비한 후, 상기 원료의 함수율(含水率)이 0.35% 이하가 되도록 1차 건조하는 단계; 1차 건조된 원료를 드라잉호퍼에 투입하여 2차 건조하는 단계; 2차 건조된 원료를 실린더와 스크류가 구비된 압출기로 압출하는 단계; 압출된 압출물을 다이를 이용하여 필름으로 추출하는 단계; 및 추출된 필름을 숙성하는 단계를 포함하는 수용성 필름의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 1차 건조단계는 원료를 제습건조장치에 투입하고 80 내지 100℃에서 2 내지 5시간 동안 실시되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 5 내지 16 g/10분일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 제조된 수용성 필름의 폭이 600 mm 초과, 1500 mm 이하인 경우, 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 10.5 내지 16 g/10분일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 드라잉호퍼, 압출기 및 다이는 각각 소정 온도로 예열되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 드라잉호퍼의 예열 온도는 70 내지 100℃이고, 상기 압출기 내 실린더의 예열 온도는 140 내지 230℃이고, 상기 다이의 예열 온도는 190 내지 240℃일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 압출기의 스크류가 내장된 실린더는 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 및 제4 구역으로 구획되되, 상기 제1 구역의 설정온도는 140 내지 160℃이고, 상기 제2 구역 내지 제4 구역의 설정 온도는 각각 200 내지 230℃이고, 상기 압출기의 헤드부 설정온도는 200 내지 230℃일 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 압출 단계는 140 내지 230℃의 온도, 및 30 내지 90 RPM의 스크류 속도 조건 하에서 실시될 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 필름 추출단계는, 필름이 권취되기 전에, 스프레이 장치로 분사된 수분에 의해 필름 표면을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 숙성단계 이전에, 추출된 필름의 냉각 단계, 가공 단계, 커팅 단계 및 권취단계 중 적어도 하나 이상의 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 숙성단계는 20 내지 25℃의 온도 및 40 내지 60%의 습도 조건 하에서 3 내지 15일 동안 실시될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 베이스 재료인 폴리비닐알코올(PVOH)계 수지 블렌드에 특정 마스터배치 첨가제를 소정의 조성비로 배합함으로써, 폴리비닐알코올계 수용성 필름의 취약한 물성, 예컨대 기체차단성, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등을 유의적으로 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는 상술한 폴리비닐알코올계 수용성 필름의 압출 전에 제습건조장치를 이용한 건조공정을 먼저 실시함으로써, 건조 조건(예, 온도, 시간)에 따른 폴리비닐알코올계 원료의 용융지수(MI)를 개선하였으며, 이러한 원료의 용융지수/공급량 조절; 블로운 압출장치의 스크류의 정밀 제어; 드라잉호퍼 및 스프레이 장치 추가 사용 등을 통해 친환경 수용성 필름의 연속생산을 위한 제조공정을 최적화할 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 종래 소수성 플라스틱 재료를 친환경 수용성 제품으로 대체함에 따라 인류와 생태계에 위협이 되는 환경문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 보다 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수용성 필름의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수용성 필름의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수용성 필름의 제조방법 중 건조제습장치에서 1차 건조되는 과정을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 수용성 필름의 제조방법 중 압출과정을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 수용성 필름의 제조방법 중 압출기 내 구비되는 스크류의 사진이다.
도 6은 도 5에 나타낸 스크류의 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 수용성 필름의 제조방법 중 스프레이 분사과정을 나타낸 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이때 본 명세서 전체 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구조를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "위에" 또는 "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 위쪽에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 그리고, 본원 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 구성요소들을 서로 구별하고자 사용된 것이다.

아울러, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

<수용성 필름>

본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 수용성 필름은, 높은 가수분해성 폴리비닐알코올계 수지 블렌드; 및 특정 물성을 가진 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함한다.

현재 시판되고 있는 폴리비닐알코올(PVOH) 필름은 폴리비닐알코올 수지 블렌드(원료)를 단독 사용하거나 또는 상기 원료에 통상의 첨가제를 선택적으로 포함하여 최종 필름 형태로 제막된다. 이에 따라, 우수한 가수분해성을 나타낼 수 있는 반면, 폴리비닐알코올(PVOH) 고유의 높은 흡습성으로 인해 과한 흡습시 주름발생, 블로킹 현상이 발생되고, 제품 물성 저하가 필수적으로 초래되었다.

이에, 본 발명에서는 고 가수분해성 폴리비닐알코올계 수지 블렌드를 베이스로 하고, 여기에 특정 물성을 가진 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 마스터 배치 첨가제로서 포함함과 동시에 이들의 함량을 소정의 배합비로 조절하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 필름의 친수성 저하 없이, 폴리비닐알코올 본연의 취약 물성, 예컨대 기체차단성, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등을 유의적으로 개선할 수 있다.

일 구체예를 들면, 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 LDPE를 포함하는 수용성 필름의 투산소율(oxygen transmission rate, OTR_L) 값은, 저밀도 폴리에틸렌을 비(非)포함하고, 폴리비닐알코올 수지 블렌드로 구성되는 수용성 필름의 투산소율(OTR_C) 값을 기준으로 70% 이하일 수 있다. 구체적으로 50% 이하이며, 보다 구체적으로 5% 내지 30%일 수 있다. 여기서, 투산소율(OTR) 값은 ASTM D3985 규격에 의한 산소투과도 평가를 기준으로 하여 백분율로 표시한 것이다.

투산소율(OTR) 실측값의 구체적인 일례를 들면, 본 발명에 따른 수용성 필름의 투산소율(OTR_L) 값은 0.08 cc/m/day 이하, 구체적으로 0.06 cc/m/day 이하이며, 보다 구체적으로 0.0012 내지 0.036 cc/m/day일 수 있다.

다른 일 구체예를 들면, 상기 수용성 필름의 ASTM D2457 규격에 의해 측정된 20° 광택도 및 60° 광택도는 각각 100 이상일 수 있으며, 구체적으로 110 내지 140 일 수 있다.

다른 일 구체예를 들면, 상기 수용성 필름의 ASTM D 1894 규격에 의해 측정된 슬립 마찰계수(COF)는 0.26 이하이며, 구체적으로 0.25 이하일 수 있다.

또 다른 일 구체예를 들면, 상기 수용성 필름의 ASTM F88 규격에 의한 175 내지 190℃의 열접착강도는 250 내지 1,000 gf/15 mm 이상이며, 구체적으로 270 내지 800 gf/15 mm 일 수 있다.

전술한 산소투과도(OTR), 광택도, 마찰계수, 실링강도 등의 물성 파라미터와 해당 수치를 갖는 본 발명의 수용성 필름은, 폴리비닐알코올을 단독으로 사용하는 시판 수용성 필름 대비 현저히 우수한 기체차단성, 광택성, 슬립성 및 열접착강도를 동시에 확보할 수 있다. 본 명세서에서, 수용성 필름의 전술한 물성들은 특별한 언급이 없는 한, 당해 필름 두께 15 내지 100 ㎛를 기준으로 하며, 구체적으로 20 내지 80 ㎛일 수 있다. 그러나 전술한 두께 범위에 한정되지 않고, 당 분야에 공지된 통상의 두께 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.

한편 본 발명에 따른 친환경 수용성 필름은, 전술한 산소투과도(OTR), 광택도, 슬립성, 및 열접착강도 중 적어도 하나 이상의 물성 파라미터, 바람직하게는 이들 모두를 만족한다면, 수용성 필름을 구성하는 성분 및/또는 이의 조성 등에 특별히 제한되지 않는다. 일례를 들면, 상기 수용성 필름은 높은 가수분해성 폴리비닐알코올계 수지 블렌드; 및 특정 물성을 가진 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함한다.

상기 폴리비닐알코올(PVOH)은 수용성 필름을 구성하는 베이스 재료로서, 가수분해도가 적어도 98% 이상의 폴리비닐알코올을 함유하는 수지일 수 있다. 여기서, 수지는 폴리머(polymer), 공중합체(copolymer)를 비롯한 당 분야의 중합체를 의미하는 모든 정의를 포함한다.

일반적으로, 10℃ 미만 온도의 물에 가용되는 수용성 필름은 대략 75% 내지 약 90%의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올을 포함하며, 40℃ 이상 온도의 물에 가용되는 수용성 필름은 적어도 98%의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올을 포함한다. 본 발명에서는 98% 이상의 고 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올을 수용성 필름의 주(主)성분으로 사용하므로, 40℃ 이상의 미온수 또는 그 이상의 온수에서 완전히 용해되어 친환경성을 나타낼 수 있다.

일 구체예를 들면, 폴리비닐알코올 수지는 수평균 평균분자량(Mn)이 5,000 내지 120,000 g/mol일 수 있으며, 구체적으로 10,000 내지 100,000 g/mol, 또는 30,000 내지 약 80,000 g/mol일 수 있다. 또한 중합도는 1,000 내지 9,000 일 수 있으며, 점도는 상온에서 10 내지 70 cps일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 수용성 필름은, 98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지를 단독 사용하거나, 또는 적어도 2종 이상을 혼용할 수 있다. 이때 적어도 2종 이상의 폴리비닐알코올 수지를 사용할 경우, 분자량이나 점도 등의 물성이 상이한 폴리비닐알코올 수지를 혼합하여 사용할 수 있다. 일례를 들면, 고분자량을 갖는 제1 폴리비닐알코올 수지와 상기 제1 폴리비닐알코올 수지 보다 저분자량을 갖는 제2 폴리비닐알코올 수지를 사용할 수 있다. 이때 고분자량과 저분자량의 폴리비닐알코올 수지의 혼합 비율은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 1 : 1 내지 10 : 1 중량비일 수 있다. 또한 폴리비닐알코올 수지의 고분자량 및 저분자량 범위는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 분자량 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 수용성 필름을 구성하는 폴리비닐알코올 수지 블렌드는, 수용성 필름의 고유 특성을 해치지 않는 한, 당 분야에 공지된 가공제를 포함할 수 있다.

이러한 가공제의 비제한적인 예로는, 가소제, 가소제 상용화제, 계면활성제, 윤활제, 이형제, 충전제, 증량제, 가교결합제, 블로킹 방지제, 항산화제, 점착성 제거제, 소포제, 나노입자 예컨대 층상 실리케이트-유형 나노클레이 (예를 들면, 나트륨 몬모릴로나이트), 표백제 (예를 들면, 나트륨 메타바이설파이트, 중아황산나트륨 또는 다른 것), 기피제(aversive agent) 예컨대 비터런트(bitterant) (예를 들면, 데나토늄염 예컨대 데나토늄 벤조에이트, 데나토늄 사카라이드, 및 데나토늄 클로라이드; 수크로오스 옥타아세테이트; 퀴닌; 플라보노이드 예컨대 쿠에르세틴 및 나린겐; 및 쿠아스시노이드 예컨대 쿠아스신 및 브루신) 및 자극제(pungent) (예를 들면, 캡사이신, 피페린, 알릴 이소티오시아네이트, 및 레진페라톡신(resinferatoxin)), 및/또는 다른 기능성 성분을 함유할 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드는, 가소제, 충전제, 계면활성제, 블록방지제 및 물로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이러한 첨가제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 함량 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.

사용 가능한 가소제(plasticizer)의 비제한적인 예로는 다가 알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디올, 트리올 및 이들의 혼합물 등이 있다. 이러한 가소제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 당해 수지 블렌드의 총 중량(예, 100 중량%)를 기준으로 0.01 내지 30 중량%, 구체적으로 5 내지 20 중량%일 수 있다.

또한 사용 가능한 윤활제/이형제의 비제한적인 예로는 지방산 및 이의 염, 지방 알코올, 지방 에스테르, 지방 아민, 지방 아민 아세테이트 및 지방 아미드를 포함할 수 있다. 바람직한 윤활제/이형제의 예로는 지방산, 지방산 염, 및 지방 아민 아세테이트 등이 있다. 상기 윤활제/이형제의 함량을 특별히 제한되지 않으며, 일례로 당해 수지 블렌드의 총 중량(예, 100 중량%)를 기준으로 0.02 중량% 내지 약 1.5 중량%, 구체적으로 0.1 중량% 내지 1 중량% 범위일 수 있다.

또한 사용 가능한 충전제/증량제/블로킹 방지제/점착성 제거제의 비제한적인 예로는, 전분, 변성 전분, 가교결합된 폴리비닐피롤리돈, 가교결합된 셀룰로오스, 미세결정성 셀룰로오스, 실리카, 산화금속, 탈산칼슘, 탈크 및/또는 마이카를 포함할 수 있다. 바람직한 물질의 예로는 전분, 변성 전분 및/또는 실리카 등이 있다. 이러한 충전제/증량제/블로킹 방지제/점착성 제거제의 양은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 함량 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 당해 수지 블렌드의 총 중량(예, 100 중량%)를 기준으로 0.1 중량% 내지 25 중량%, 구체적으로 1 중량% 내지 약 10 중량% 범위일 수 있다.

일 구체예를 들면, 상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드는 적어도 98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 87 내지 92 중량%; 가소제 5 내지 20 중량%; 및 물 또는 기타 가공제 3 내지 20 중량%를 포함하여 구성될 수 있다. 구체적으로, 폴리비닐알코올 수지 84-86 중량%; 가소제 9-11 중량%; 및 물 또는 다른 가공제 4-6 중량%를 포함하는 조성일 수 있으며, 보다 구체적으로 폴리비닐알코올 수지 85 중량%; 가소제 10 중량%; 및 물 또는 기타 가공제 5 중량%를 포함할 수 있다. 이때 가공제의 구체예로는, 스테아레이트와 같은 가공 보조제; 또는 백악(chalk), 흄 실리카(fumed silica) 및 차단 방지제일 수 있다.

본 발명에 따른 친환경 수용성 필름은, 전술한 폴리비닐알코올 수지의 취약 물성을 보완하고자, 특정 물성의 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE)을 사용한다.

상기 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 마스터배치 첨가제로서, 안티블로킹제와 슬립제로서의 기능을 동시에 부여할 수 있다. 이러한 저밀도 폴리에틸렌은 분자량 분포가 상대적으로 넓기 때문에, 실제 압출가공영역에서 낮은 점도를 보여 가공부하가 낮게 되는 장점을 갖는다. 그리고 다른 LLDPE나 HDPE에 비해 많은 장쇄 분지를 갖기 때문에, 용융장력이 상대적으로 높아 블로우 필름 압출시 버블의 안정성을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 폴리비닐알코올 수지 블렌드에 특정 물성의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 소정 함량으로 배합함으로써, 필름의 고시성(Stiffness)을 향상시키며, 이를 통해 폴리비닐알코올(PVOH) 수용성 필름이 수분을 흡습하여 발생되는 주름현상을 해소하고, 기체차단성 효과가 저감되는 문제를 개선하게 된다. 이러한 저밀도 폴리에틸렌의 물성은 LDPE의 물성은 분자량, 분자량분포 밀도에 의해 크게 좌우될 수 있다.

일 구체예를 들면, 상기 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 융점(Tm)이 100 내지 115℃이고, 유리전이온도(Tg)가 -120 내지 -110℃이고, 용융지수(MI)가 5 내지 15g/10분이고, 밀도가 0.9 내지 1.1 g/cm³일 수 있다.

상기 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 함량 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 저밀도 폴리에틸렌의 함량 비율은 당해 수용성 필름의 총 중량을 기준으로 98.0 : 2.0 내지 99.5 : 0.5 중량비일 수 있다.

전술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 수용성 필름은 적용 제품에 따라 다양한 두께나 폭을 가질 수 있으며, 그 형태나 크기 등에 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 수용성 필름의 두께는 15 내지 100 ㎛ 일 수 있고, 구체적으로 15 내지 90 ㎛, 보다 구체적으로 20 내지 80 ㎛ 일 수 있다. 또한 폭은 150 내지 1,500 mm일 수 있으며, 200 내지 1,300 mm일 수 있다.

또한 상기 수용성 필름은 단층 또는 적어도 2층 이상의 복수 층으로 구성되는 프리-스탠딩 필름(free-standing film)이거나, 또는 기재(substrate) 상에 코팅된 형태의 필름일 수 있다. 그 외에, 당 분야에 공지된 통상의 다른 층이나 보호필름, 이형필름, 이형 기재 등을 추가로 도입하여 예시된 다층 구조의 수용성 필름 또한 본 발명의 범주에 속한다.

<수용성 필름의 제조방법>

이하, 본 발명에 따른 수용성 필름의 제조방법에 대해 설명한다. 이러한 수용성 필름은 당 업계에 공지된 통상적인 방법에 따라 제한 없이 제조될 수 있으며, 일례로 하기 방법에 의해 제조될 수 있다. 그러나 하기 예시된 방법에 의해서만 본 발명이 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.

상기 수용성 필름을 제조하는 방법의 일 실시예를 들면, (i) 98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 블렌드와, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)를 포함하는 원료를 준비한 후, 상기 원료의 함수율(含水率)이 0.35% 이하가 되도록 1차 건조하는 단계('S100 단계'); (ii) 1차 건조된 원료를 드라잉호퍼에 투입하여 2차 건조하는 단계('S200 단계'); (iii) 2차 건조된 원료를 실린더와 스크류가 구비된 압출기로 압출하는 단계('S300 단계'); (iv) 압출된 압출물을 다이를 이용하여 필름으로 추출하는 단계('S400 단계'); 및 (v) 추출된 필름을 숙성하는 단계('S500 단계');를 포함하여 구성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수용성 필름의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수용성 필름의 제조방법을 나타내는 공정 순서도이고, 도 2는 수용성 필름의 제조장치를 나타내는 개략도이다.

상기 도 1 및 2를 참조하여, 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.

(i) 1차 건조단계 (이하 'S100 단계'라 함)

상기 S100 단계에서는, 98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 소정 조성비로 배합된 원료를 준비한 후, 상기 원료의 수분 함량이 0.35% 이하가 되도록 건조를 실시한다(도 3 참조).

이때 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 저밀도 폴리에틸렌에 대한 내용은 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 1차 건조단계는 원료의 수분 함량을 0.35% 이하로 감소시킬 수 있다면 건조방법 및 그 조건 등에 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 당 분야에 공지된 통상의 제습건조장치 및/또는 열풍 건조기 등을 사용할 수 있다.

일 구체예를 들면, 상기 제습건조장치(100)는 열풍건조 및 믹싱 순환을 통한 건조를 실시하기 위해서, 원료를 균일하게 혼합하는 교반부 및 상기 교반부를 구동시키는 교반 모터가 그 내부에 구비되는 것이 바람직하다. 또한 건조 조건은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 제습건조장치(100)에 투입하고 80 내지 100℃에서 2 내지 5시간 동안 실시될 수 있다.

상기 S100 단계에서 건조된 원료 내 수분 함량은 시료 5~10g을 채취하여 110~115℃의 온도 하에서 15분 정도 측정하는 것을 기준으로 한다. 이때 1차 건조된 원료의 수분 함량이 전술한 수치를 만족할 경우, 후속 공정을 바로 진행하여도 무방하다.

한편 흡습성이 높은 폴리비닐알코올 수지 원료를 압출하기 위해서는 원료의 용융지수(melt index, MI)가 소정 범위로 조절되어야 한다. 특히 수용성 필름의 폭을 600 mm를 초과하는 크기, 예컨대 대략 600 mm 초과, 1,500 mm 이하로 대형화하는 경우 원료의 용융지수(MI)가 압출 가공성의 중요한 인자로 작용하여 필름의 연속생산성에 영향을 주게 된다. 즉, 원료 수지의 용융지수(MI)가 높으면 흐름성이 커져 압출공정시 유동성 및 가공성이 용이해진다. 전술한 사항을 고려하여, 본 발명에서는 압출 공정을 실시하기 전에 건조공정을 먼저 실시함으로써, 원료 수지의 수분함량 조절을 통한 용융지수(MI)를 소정 범위로 조절하고자 한다.

일 구체예를 들면, 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 5 내지 16 g/10분일 수 있다. 구체적으로, 수용성 필름의 폭이 600 mm 이하(예, 소형)일 경우, 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 5 내지 16 g/10분 일 수 있다. 또한 수용성 필름의 폭이 600 mm 초과, 1500 mm 이하(예, 중대형)인 경우, 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 10.5 내지 16 g/10분으로 조절하는 것이 바람직하다.

한편 도 1 및 2에 도시되지 않았으나, 상기 S100 단계 이전에, 믹싱스크류가 구비된 믹서를 통해 건조제습장치(100)에 원료를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

(ii) 2차 건조단계 ('S200 단계')

S200 단계에서는, 1차 건조된 원료를 드라잉호퍼(200)에 투입하여 압출 전에 2차 건조를 실시한다.

종래 호퍼는 원료를 단순히 투입하는 공간, 예컨대 투입장치에 불과한 반면, 상기 S200 단계의 드라잉호퍼는 원료를 가열할 수 있는 호퍼로서, 구체적으로 원료를 일정시간 동안 가열한 후 투입할 수 있는 장치를 의미한다.

일례로, 상기 드라잉호퍼(200)는 그 내부에 제습제가 구비된 것일 수 있으며, 또는 열교환기가 구비될 수 있다. 이 경우, 열교환기를 통과하여 수분이 제거된 외부 공기가 원료로부터 흡수된 제습제의 수분을 제거할 뿐만 아니라 열교환을 통해 제습제를 재생시킴으로써 제품의 불량 감소를 도모할 수 있다.

또한 2차 건조를 위해, 드라잉호퍼(200)는 소정의 온도로 미리 예열되는 것이 바람직하다. 예열온도는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 80 내지 100 ℃일 수 있다.

(iii) 압출 단계 ('S300 단계')

S300 단계에서는, 전술한 S200 단계에서 2차 건조된 원료를 실린더(320)와 스크류(340)가 구비된 압출기(300)로 투입하여 압출공정을 실시한다(도 4 참조).

압출기(300)는 호퍼(200)를 통해 공급된 원료 수지를 용융상태로 만든 후, 용융된 원료 수지에 적당한 압력과 속도를 인가하여 소정의 형상과 두께를 가진 필름 등으로 성형하는 장치를 지칭한다. 상기 압출기로는 당 분야에 공지된 통상의 압출장치를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 하나의 스크류를 구비한 단축 압출기, 또는 복수의 스크류를 구비한 다축 압출기일 수 있다.

상기 압출기(300)는 스크류(screw, 340) 및 실린더(바렐, 320)가 장착된다.

스크류(340)는 압출기(300)를 통과하는 원료 수지의 용융 및 혼합 상태에 큰 영향을 미치는 구성부로서, 원료 수지의 균일한 혼합과 상기 혼합물을 다이(400)로 이송하는 역할을 한다. 상기 스크류(340)는 상업적으로 이용 가능한 다양한 스크류 형태가 모두 적용 가능하며, 동반 회전하도록 긴밀히 맞물린 스크류 형태를 사용할 수 있다. 일례를 들면, 상기 스크류(340)는 공급부(F), 압축부(C) 및 계량부(M)를 포함하며, 상기 스크류의 공급부(F), 압축부(C) 및 계량부(M)에 대응하는 부분의 실린더(320)를 가열하기 위한 히터(미도시)가 구비될 수 있다(도 6 참조).

또한 압출기(300)의 실린더(320)는 투입된 혼합물을 혼합 압송하는 것으로, 동일한 간격을 가지도록 복수 개의 구획부로 구획될 수 있다. 일례로, 압출기(300)의 입구에 근접한 부분부터 순서대로 제1 구역, 제2구역, 제3 구역, 제4 구역으로 구획될 수 있다. 그리고 헤드는 압출기(300) 내부에 열을 전도하면서 원료가 통과 및 가열될 수 있도록 하며, 이들의 용융상태를 일정하게 유지시켜줄 수 있다. 또한 압출기(300)는 다이(400)로부터 제품이 나오는 전에, 실린더(340)의 선택된 온도 프로파일과 함께 제어된 방식으로 반응을 완료할 수 있는 속도로 점진적인 혼합 및 재료 이송을 제공해야 한다.

본 발명에서 압출 조건은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 범위내에서 적절히 조절될 수 있다. 일례로, 140 내지 230℃의 온도 및 30 내지 90 RPM의 스크류 속도 조건 하에서 실시될 수 있다. 또한 용융수지의 바람직한 공급량은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 스크류 속도 50 RPM 조건 하에서 1분간 측정된 경우를 기준으로 하여 2.20 kg 내지 2.30 kg일 수 있다.

상기 S300 단계의 구체적인 일례를 들면, 1차 건조된 원료의 수분 함량이 0.35% 이하로 감소되면 압출기(300)의 전원을 켜고 드라잉호퍼(200), 실린더(320), 다이(400)의 온도를 소정의 설정온도(예, 기준온도)에 맞추어 예열을 시작한다. 일례로, 드라잉호퍼(200)의 예열 온도는 80 내지 100℃이고, 압출기(300) 내 실린더(320)의 예열 온도는 140 내지 230℃이고, 다이(400)의 예열 온도는 200 내지 230℃일 수 있다. 이때 압출기(300)를 구성하는 각 구성부의 예열온도(기준온도)는 원료의 기본 특성이 벗어나지 않는 수준에서 오퍼레이터에 따라 유동적으로 변동될 수 있다.

이어서 드라잉호퍼(200), 압출기(300)의 실린더(320), 다이(400)의 각 온도가 모두 설정온도에 셋팅되면 호퍼로더를 통하여 제습건조장치(100), 드라잉호퍼(200) 및 압출기(300)의 실린더(320) 순서로 원료를 자동 투입하게 된다. 초기 스크류 속도를 30 RPM 이하로 시작하고 안정적으로 버블을 형성하여 권취(winding)까지 진행되면 30 내지 90 RPM 정도의 스크류 속도 범위 내에서 필름의 두께, 권취길이 등을 고려하여 스크류 속도를 유동적으로 조절할 수 있다.

특히 본 발명에서는 압출기(300)를 구성하는 각 구성부(320, 340, 400)를 최적의 온도로 적용한 상태에서 압출공정을 수행함으로써, 용융수지의 공급량 조절 및 불균일성 개선을 도모할 수 있다.

구체적으로, 압출기(300)의 스크류(340)가 내장된 실린더(320)는 각기 상이한 온도를 적용하기 위해 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 및 제4 구역으로 구획되되, 제1 구역의 온도를 140 내지 160℃로 설정하고, 상기 제2 구역 내지 제4 구역의 온도는 각각 200 내지 230℃로 설정하고, 상기 압출기(300)의 헤드부 온도를 200 내지 230℃로 설정하고, 압출기(300)의 다이(400) 온도를 200 내지 230℃로 설정할 수 있다. 이때 압출기(300)의 실린더(320), 헤드, 다이(400)의 온도 설정은 동시에 진행될 수도 있고, 필요에 따라 순차적으로 진행할 수도 있다.

한편 본 발명의 S300 단계에서, 스크류(340)의 원료 수지에 대한 용융 및 혼합 능력은 압출된 최종제품의 품질에 큰 영향을 미치는 요소이다.

종래 폴리에틸렌 필름용 블로운 압출기는 일일 생산량을 크게 늘리기 위해 스크류의 길이/직경 비율을 30 : 1 이상으로 설계하고, 원료의 혼합/믹싱이 가능하도록 대부분 단일 나사의 BM 타입의 스크류로 설계하고 있다. 이에 비해, 본 발명에 따른 폴리비닐알코올 필름용 스크류(340)는, 블로운 압출기의 초기형태인 매니폴더 타입으로 설계하되, 폴리비닐알코올 필름용 스크류(340)를 구성하는 공급부(F)는 원료가 더 많이 투입되도록 하고, 계량부(M)에서 다이쪽으로는 원료가 덜 투입되도록 스크류의 설계 비율을 조정하는 것이 요구된다. 또한 폴리비닐알코올 원료는 원료가 받는 전단력을 최소화하여야 분해현상을 막고 압출을 유리하게 할 수 있기 때문에, 스크류의 길이 대비 직경 비율을 통상적인 비율보다 짧게 설계해야 한다.

50mm 압출기 스크류를 예를 들어 설명하면, 스크류의 설계 비율 범위 내에서 원료가 투입되는 목부 직경(throat diameter, "T")을 크게 하고, 다이 엔드 직경(die end diameter, "D")을 작게 조절하면, 원료 소모량을 최소화하면서 용융수지가 받은 열과 압력을 최적화하여, 최종 필름의 압출생산을 용이하게 하고 물성을 개선할 수 있다. 또한 스크류의 공급부 구역 길이(Feed zone length "F")를 통상적인 50 mm 압출기 스크류의 설계 비율 보다 길게 조절할 경우, 흐름성이 우수한 폴리 폴리비닐알코올 용융수지가 뒤쪽으로 밀리는(Back) 현상을 개선할 수 있다.

전술한 사항을 반영하여 변경 설계된 본 발명에 따른 스크류(340)의 일 구체예를 들면, 목부 직경(throat diameter, "T")은, 50 mm 압출기 스크류를 기준으로 34 mm 내지 40 mm이며, 구체적으로 36 mm 내지 38 mm일 수 있다. 또한 스크류(340)의 다이 엔드 직경(die end diameter, "D")은 39 mm 내지 45 mm이며, 구체적으로 41 mm 내지 43 mm일 수 있다. 이때, 목부 직경(throat diameter, "T")의 수치가 커질수록 다이 엔드 직경(die end diameter, "D")의 수치는 작게 설계되는 것이 바람직하다. 그리고 본 발명에 따른 스크류(340)의 공급부(F) 구역 길이는 280 mm 내지 320 mm일 수 있으며, 이는 종래 통상적인 50mm 압출기의 공급부 구역 길이인 250 mm 내지 280 mm보다 긴 것이다.

본 발명에서는 스크류의 설계 비율 및 해당 수치를 상기와 같이 구체적으로 설명하였다. 그러나 해당 수치는 50 mm 압출기 스크류를 기준으로 한 것일 뿐 이에 한정되지 않으며, 사용하는 압출기 규격에 따라 스크류의 설계 비율을 적절히 변경하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.

(iv) 필름 추출단계 ('S400 단계')

S400 단계에서는, 전술한 S300 단계를 거친 압출물을 다이(400)를 이용하여 필름으로 추출한다.

상기 S400 단계에서, 다이(400)는 특별히 제한되지 않으며, 상업적으로 이용 가능한 형태를 모두 적용할 수 있다. 또한 다이의 직경, 다이 갭 등의 조건 역시 한정되지 않으며, 당 분야에 공지된 통상의 범위 내에서 적절히 조절하여 실시될 수 있다.

한편 폴리비닐알코올(PVOH) 필름은 블로운압출 직후에 뻣뻣해져서 쉽게 부서지는 성질(brittle)이 있다. 특히 전술한 현상은 상대습도가 낮은 겨울철에 더욱 뚜렷하게 나타난다. 이러한 문제점을 해소하고자, 본 발명에서는 압출기(300)의 다이(400)를 통과한 후 필름의 권취 전에 스프레이 장치(800)를 통해 미세한 수분을 필름 표면에 도포하여 필름을 부드럽고 매끈하게 와인딩할 수 있다(도 7 참조).

상기 스프레이 장치(800)는 미세입자를 수용성 필름(20)에 닿지 않게 간접적으로 분사하여 최종제품인 롤필름의 품질을 향상시키는 보조적인 역할을 수행한다. 이러한 스프레이 장치(800)로는 당 분야에 공지된 통상의 분무기나 스프레이건 등을 제한 없이 사용할 수 있다.

(v) 숙성단계 ('S500 단계')

S500 단계에서는, 추출된 수용성 필름을 소정의 조건 하에서 숙성한다.

상기 S500 단계의 숙성 조건은 특별히 제한되지 않으며, 적용 제품에 따라 적절히 조절하여 수행될 수 있다. 일례로, 20 내지 25℃의 온도 및 40 내지 60%의 습도 조건 하에서 3 내지 15일 동안 실시될 수 있다.

전술한 숙성단계를 거친 필름은 물적 안정성과 형태 안정성이 향상되어 제반물성이 향상된 최종 수용성 필름이 제공될 수 있다.

한편 도 1 및 2에 구체적으로 표시하지 않았으나, 본 발명에 따른 수용성 필름의 제조방법은, 상기 필름 추출단계('S400 단계')와 숙성단계('S500 단계') 사이에, (a) 추출된 필름(20)을 상기 다이(400)의 상부 외측에 구비된 냉각기(500)로 냉각하는 냉각단계 ('S400-1 단계'); (b) 냉각된 필름을 가이드(600)를 이용하여 안내하는 안내단계('S400-2 단계'); (c) 안내된 필름(20)이 평판으로 가공되도록 닙롤러(700)로 눌러 잡아당기는 가공단계('S400-3 단계'); (d) 판형으로 가공된 필름의 양단을 커팅하는 커팅단계('S400-4 단계'); 및 (e) 커팅된 필름을 권취기(900)로 감는 권취단계('S400-5 단계'); 중 적어도 하나의 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 전술한 단계[예, (a) ~ (e)] 모두를 순차적으로 실시하여 연속 생산하는 것이다.

전술한 방법에 의해 제조된 본 발명의 수용성 필름과 응용 제품, 및 그 변형예들은, 높은 가수분해성 뿐만 아니라 개선된 기체차단성, 광택성, 슬립성, 열접착강도 등의 제반 물성이 요구되는 다양한 분야에 적용 가능하다.

일례를 들면, 수용성 필름이 사용되는 산업, 의료, 건설, 식품 등의 기술분야에 적용될 수 있으며, 구체적인 일례를 들면 수용성 세탁백(Laundry bag), 의류 포장용 비닐 등의 의류백(garment bag), 염색보, 앞치마, 위생장갑, 대전방지 포장재, 육가공 포장 필름, 농업용 멀칭필름, 라미네이션 필름 등일 수 있다. 그러나 전술한 용도에 특별히 한정되지 않으며, 당 분야에서 수용성 필름이 사용되는 모든 분야에 제한 없이 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

가수분해도 98% 이상의 폴리비닐알코올(PVOH) 수지 블렌드(Aquapak Polymers社) 98.5 중량%와 마스터배치 첨가제인 저밀도 폴리에틸렌(안티블로킹제, AB0040, LDPE60%, MI 10 g/10분, 융점(Tm) 105℃) 1.5 중량%를 포함하는 원료를 제습건조장치에 투입한 후 80~100℃에서 열풍건조하여 습기를 1차 제거하였다. 이때 건조시간은 2~5 시간 사이로 하되, 수분측정기(Sartorius사, MA-37, 측정 조건: 110~115℃, 5~10g, 15분 측정을 기준으로 함)를 이용하여 원료의 수분 측정시 0.35% 이하가 되도록 조절하였다.

상기 원료의 수분이 0.35% 이하가 되면, 블로운 압출장치의 전원을 켜고 드라잉호퍼, 실린더, 다이의 온도를 하기 표 1과 같이 소정의 기준 온도로 맞추어 예열을 시작하였다. 각 온도가 모두 설정온도에 셋팅되면, 건조된 원료를 단층 블로운 압출기의 호퍼로더를 통하여 제습건조장치, 드라잉호퍼, 실린더 순으로 원료를 자동 투입하고, 압출공정을 실시하였다. 드라잉호퍼에서 원료에 함유된 수분을 2차 제거하고, 수분이 제거된 원료를 실린더와 스크류가 구비된 압출기를 이용하여 용융상태로 압출하였다. 이때 초기 스크류 속도는 30 RPM 이하로 시작하여 안정적으로 버블을 형성하여 와인딩까지 이상이 없는 것을 확인하면 대략 30~90 RPM 속도로 조절하였다. 실린더에서 이송된 용융수지를 다이로 통과시켜 필름으로 추출하고, 추출된 필름의 내외부를 냉각하고, 냉각된 필름이 접혀져 튜브형태가 되도록 에이형프레임을 통해 이송하고, 에이형프레임을 통과한 필름을 1차 롤러를 통해 잡아당기고, 가이드롤과 2차 롤러를 거쳐 튜브형태의 필름을 권취기로 감아 수용성 필름(두께: 30 ㎛, 폭: 800 mm)을 제조하였다. 권취(winding) 직전, 스프레이 장치를 통해 미세 수분을 필름 표면에 도포하여 필름을 부드럽고 매끈하게 와인딩하였다. 완성된 수용성 필름은 숙성실에서 온도 20℃~25℃, 상대습도 40%~60% 조건 하에서 대략 4일 정도 숙성하였다.

압출기	드라잉 호퍼	실린더 (구역)				헤드	다이
압출기	드라잉 호퍼	1	2	3	4	헤드	다이
설정 온도 (℃)	80-100	140-160	200-230	200-230	200-230	200-230	200-230

[비교예]

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 수용성 필름을 제조하였다.

[실험예 1]

본 발명에 따른 압출기의 헤드부를 열어 스크류 설계에 따른 용융수지의 압출량을 측정하였다. 이때 스크류를 50 RPM 속도로 고정하여 1분간 흘려서 나온 압출량의 무게를 측정하였으며, 이를 60분으로 환산하여 하기 표 2에 기재하였다.

50mm 블로운 압출기 스크류	목부 직경 ("T")	다이 엔드 직경 ("D")	측정량 (50 RPM, 1분)	60분 환산량 (50 RPM, 60분)
#1	36	43	2.42 kg	145.2 kg
#2	38	41	2.28 kg	136.8 kg

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 스크류의 목부 직경(throat diameter, "T")을 크게 하고, 다이 엔드 직경(die end diameter, "D")을 작게 조절할 경우, 원료 소모량을 최소화하면서 용융수지가 받은 열과 압력을 최적화하여, 최종 필름의 압출생산에 보다 유리하다는 것을 알 수 있었다.

[실험예 2]

고가수분해성 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함하는 원료를 이용하여 건조 실시에 따른 원료의 용융지수(Melt Index, MI)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때 하기 표 3의 측정치는 ㈜플라스틱과사람들에 의뢰하여 받은 결과이다.

원료 및 압출조건	1차 건조 여부	건조 시간	용융지수 (MI, g/10분)
190℃/10 Kg	×	-	3
210℃/10 Kg	×	-	6
230℃/10 Kg	×	-	8.9
	○	105℃, 60분 유지	16.7
	○	건조 후 15분 상온방치	10.4

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 LDPE를 포함하는 원료는 건조 전의 용융지수(MI)가 8.9 g/10분을 나타냈으며, 소정 조건 하에서 건조를 실시한 후의 용융지수(MI)는 16.7 g/10분을 나타냈다. 이에 따라, 건조 이전 보다 건조 이후 블로운 압출기 내부에서 융융 수지가 밀려나오는 양이 많고 점도가 낮다는 것을 알 수 있었다.

한편 건조공정을 실시하더라도 이후 실온에서 15분 정도 노출시킬 경우, 원료의 용융지수(MI)가 다시 10.4로 낮아지는 경향을 보였다. 이를 통해, 압출 전에 건조공정을 비(非)실시하거나, 또는 건조를 하더라도 이후 일정시간 동안 상온 노출할 경우, 폴리비닐알코올이 공기 중 수분을 흡수함에 따라 블로운 압출기 내부에서 원료의 융용 수지가 밀려나오는 양이 감소한다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 용융수지의 공급량이 감소할 경우 필름 생산시 다량의 기포가 발생되고, 발생된 기포(버블)가 계속적으로 터지는 현상이 초래되어 연속생산이 불가능하게 된다.

전술한 결과를 통해, 본 발명에서는 압출공정을 실시하기 전에 제습건조 장치를 구비함에 따라 용융수지의 균질성, 용융수지의 공급량, 기포발생 등을 제어하여 필름의 연속생산을 위한 공정을 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.

[실험예 3]

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 수용성 필름의 물성을 하기 측정방법에 따라 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 이때 하기 표 4의 각 물성은 ㈜필맥스에 의뢰하여 받은 결과이다.

(1) 두께

ASTM D2103 평가 규격에 따라 필름의 두께를 측정하였다.

(2) 광택도

ASTM D2457 평가 규격에 따라 필름의 20° 및 60° 광택도를 측정하였다.

(3) 슬립성(마찰계수)

ASTM D1894 평가 규격에 따라 필름의 코로나 처리면끼리 마찰계수를 측정하였다.

(4) 열접착강도(실링강도)

ASTM F88 평가 규격에 따라 필름의 실링강도를 측정하였다.

(5) 산소투과도(투산소율, oxygen transmission ratio, OTR)

ASTM D3985 평가 규격에 따라 필름의 산소투과도(OTR)을 측정하였다.

		실시예 1	비교예 1
두께 (㎛)		30	30
FISH EYE 개수(개)		개 (0.5 mm↓)	개 (0.5 mm↓)
광택도 (GU, 20°/60°)		61/ 126 /125	13/ 87 / 98
산소투과도(OTR, cc/m²/day)		0.020 ↓	0.121
코로나 처리 (dyne/cm)	IN	42 ↑	42 ↑
코로나 처리 (dyne/cm)	OUT	42 ↑	42 ↑
마찰계수	내면	0.25	0.30
마찰계수	외면	0.20	0.27
실링강도 (g/15 mm)	175 ℃	280	30
	180 ℃	330	30
	185 ℃	500	80
	190 ℃	740	80

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 고가수분해성 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 소정의 조성비로 배합하고, 이와 동시에 필름의 제조공정 설비 및 그 조건을 최적화하여 제조된 실시예 1의 수용성 필름의 경우, 현재 시판되는 비교예 1의 폴리비닐알코올계 수용성 필름 대비 산소투과도, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등의 제반 물성 면에서 보다 우수한 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.

전술한 결과를 통해, 본 발명에 따른 수용성 필름은 높은 가수분해성을 비롯한 우수한 기체차단성, 광택도, 열접착강도, 슬립성 등이 요구되는 다양한 분야에서 유용하게 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

20: 필름
100: 제습건조장치
200: 드라잉호퍼
300: 압출기
320: 실린더
340: 스크류
400: 다이
500: 냉각기
600: 가이드
700: 닙롤러
800: 스프레이 장치
900: 권취기

Claims

98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 블렌드; 및
저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 포함하며,
상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 상기 저밀도 폴리에틸렌의 함량 비율은 당해 수용성 필름의 총 중량을 기준으로 98.0 : 2.0 내지 99.5 : 0.5 중량비이며,
ASTM D3985 규격에 의한 산소투과도 평가에서, 상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 LDPE를 포함하는 수용성 필름의 투산소율(OTR_L) 값은, 저밀도 폴리에틸렌을 비(非)포함하는 수용성 필름의 투산소율(OTR_C) 값을 기준으로 70% 이하이고,
ASTM F88 규격에 의한 175 내지 190℃에서의 열접착강도는 250 내지 1,000 gf/15 mm인 수용성 필름.
제1항에 있어서,
투산소율(OTR_L) 값은 0.08 cc/m/day 이하인, 수용성 필름.
제1항에 있어서,
ASTM D2457 규격에 의해 측정된 20° 광택도 및 60° 광택도는 각각 100 이상인 수용성 필름.
제1항에 있어서,
ASTM D 1894 규격에 의해 측정된 슬립 마찰계수(COF)는 0.26 이하인 수용성 필름.
삭제
제1항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 수지는 수평균분자량(Mn)이 5,000 내지 120,000 g/mol이고, 중합도가 1,000 내지 9,000인, 수용성 필름.
제1항에 있어서,
상기 폴리비닐알코올 수지 블렌드는 가소제, 충전제, 계면활성제, 블록방지제 및 물로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 수용성 필름.
제1항에 있어서,
상기 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 융점(Tm)이 100 내지 115℃이고, 유리전이온도(Tg)가 -120 내지 -110℃이고, 용융지수(MI)가 5 내지 15g/10분이고, 밀도가 0.9 내지 1.1 g/cm³인, 수용성 필름.
삭제
제1항에 있어서,
두께가 15 내지 100 ㎛ 이고,
폭이 150 내지 1,500 mm인, 수용성 필름.
제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제8항 및 제10항 중 어느 한 항에 기재된 수용성 필름을 포함하는 수용성 물품.
98% 이상의 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올 수지 블렌드와, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)를 포함하는 원료를 준비한 후, 상기 원료의 함수율(含水率)이 0.35% 이하가 되도록 1차 건조하는 단계;
1차 건조된 원료를 드라잉호퍼에 투입하여 2차 건조하는 단계;
2차 건조된 원료를 실린더와 스크류가 구비된 압출기로 압출하는 단계;
압출된 압출물을 다이를 이용하여 필름으로 추출하는 단계; 및
추출된 필름을 숙성하는 단계;를 포함하며,
상기 원료에 포함된 폴리비닐알코올 수지 블렌드와 상기 저밀도 폴리에틸렌의 함량 비율은 당해 수용성 필름의 총 중량을 기준으로 98.0 : 2.0 내지 99.5 : 0.5 중량비인, 제1항의 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 1차 건조단계는 80 내지 100℃에서 2 내지 5시간 동안 실시되는 것인, 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 5 내지 16 g/10분인, 수용성 필름의 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 수용성 필름의 폭이 600 mm 초과, 1500 mm 이하인 경우, 1차 건조된 원료의 용융지수(MI)는 10.5 내지 16 g/10분인, 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 드라잉호퍼, 압출기 및 다이는 각각 소정 온도로 예열되는, 수용성 필름의 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 드라잉호퍼의 예열 온도는 70 내지 100℃이고,
상기 압출기 내 실린더의 예열 온도는 140 내지 230℃이고,
상기 다이의 예열 온도는 190 내지 240℃인, 수용성 필름의 제조방법.
제17항에 있어서,
상기 압출기의 스크류가 내장된 실린더는 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 및 제4 구역으로 구획되되,
상기 제1 구역의 설정온도를 140 내지 160℃이고,
상기 제2 구역 내지 제4 구역의 설정온도는 각각 200 내지 230℃이고,
상기 압출기의 헤드부 설정온도는 200 내지 230℃인, 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 압출 단계는 140 내지 230℃의 온도, 및 30 내지 90 RPM의 스크류 속도 조건 하에서 실시되는, 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 필름 추출단계는, 필름이 권취되기 전에, 스프레이 장치로 분사된 수분에 의해 필름 표면을 도포하는 단계를 더 포함하는, 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 숙성단계 이전에, 추출된 필름의 냉각 단계, 가공 단계, 커팅 단계 및 권취단계 중 적어도 하나 이상의 단계를 더 포함하는, 수용성 필름의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 숙성단계는 20 내지 25℃의 온도 및 40 내지 60%의 습도 조건 하에서 3 내지 15일 동안 실시되는 수용성 필름의 제조방법.