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KR102574372B1 - 공압출된 친환경 발포 다층필름 및 이를 이용한 아이스팩 - Google Patents

공압출된 친환경 발포 다층필름 및 이를 이용한 아이스팩 Download PDF

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KR102574372B1
KR102574372B1 KR1020230010436A KR20230010436A KR102574372B1 KR 102574372 B1 KR102574372 B1 KR 102574372B1 KR 1020230010436 A KR1020230010436 A KR 1020230010436A KR 20230010436 A KR20230010436 A KR 20230010436A KR 102574372 B1 KR102574372 B1 KR 102574372B1
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film
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foam
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왕기현
이광수
김석준
권재희
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한국프리팩 주식회사
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Abstract

본 발명은 친환경 공압출 발포 다층필름 및 이를 이용한 아이스팩에 관한 것이다. 보다 상세하게는 표면층(110), 발포층(120), 내면층(130)으로 구성된 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름을, 발포기술을 이용한 한번의 공압출 공정만으로 제조된 것을 특징으로 하고 있으며, 이를 이용한 아이스팩에 관한 것이다.

Description

공압출된 친환경 발포 다층필름 및 이를 이용한 아이스팩{Co-extruded eco-friendly foam multilayer film and ice pack using the same}
본 발명은 공압출된 친환경 발포 다층필름 및 이를 이용한 아이스팩에 관한 것이다. 보다 상세하게는 표면층(110), 발포층(120), 내면층(130)으로 구성된 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름을, 발포기술을 이용한 한번의 공압출 공정만으로 제조된 것을 특징으로 하고 있으며, 이를 이용한 아이스팩에 관한 것이다.
최근 코로나 19 영향으로 운송업이 더욱 활발해지면서 빠른 배송을 요하는 음식물에 대한 수요가 많아졌다. 더욱이 온라인 식품시장 매출이 늘어나면서 신선식품을 새벽에 배송하는 유통 업계간 경쟁이 치열해졌으며, 특히 배송 과정에서 식품의 변질을 해결할 수 있는 방안이 주요한 이슈이다.
음식물은 빠르게 부패될 수 있으므로 저온에 보관하여 신선도를 유지시켜줘야 한다. 일반적으로 운송시에 냉동 또는 냉장 보관이 가능한 수단으로 드라이아이스나 아이스팩을 사용한다.
아이스팩(ice pack)은 비열이 높은 냉매와 물과 혼합한 뒤 얼려 사용함으로써 아이스팩의 흡열작용을 통해 주변을 저온으로 유지시킬 수 있다. 이러한 아이스팩은 상기 드라이 아이스와는 다르게 취급 및 보관이 용이하기 때문에 널리 사용된다.
기존의 아이스팩은 대부분 석유 화학 제품으로 구성되어 있으며, 주로 나일론/폴리에틸렌이나 부직포(PP, PE)/ 폴리에틸렌 등의 재질이 많이 사용되고 있다.
상기 나일론/폴리에틸렌 재질의 경우, 내충격성 및 강인성이 우수한 연신 나일론 필름과 봉투성형성이 우수한 폴리에틸렌 필름을 합지한, 2종 이상의 멀티(multi) 소재로 되어 있으므로, 재활용이 불가능하여 전량 소각하거나 또는 매립할 수밖에 없으며, 이는 심각한 환경오염의 원인이 된다.
또한 폴리에틸렌/폴리에틸렌 재질의 경우, 외층과 내층이 모두 폴리에틸렌인 유니 소재이므로 재활용측면에서는 우수하지만, 내충격성, 강인성 등을 유지하기 위해서는 필름의 외층은 무연신 필름이 아닌 1축 또는 2축으로 연신된 폴리에틸렌 연신필름을 사용하여 합지할 필요가 있었다(특허문헌 1, 2 참조). 폴리에틸렌 연신 필름 가공은 특정 기계만이 가능하여 설비 투자비가 과다하고 생산비가 매우 높다. 또한 장비 특성 또는 연신비에 따라 물성이 크게 변하여 균일한 연신필름을 제조하기 어려운 점이 있기도 하다.
또한 무연신 폴리에틸렌 발포 다층시트의 경우, 두 개의 적층 시트는 별도로 드라이 라미네이션하여 적층하거나 T-die를 통해 나오는 폴리에틸렌 용융체로 적층하여 합지하여 제조할 수 있지만(특허문헌 3 참조), 단 하나의 공정으로 내부에 발포층을 추가하기에는 다소 문제점이 있었다.
다층 필름을 가공하는 기술로 블로운 공압출 방법이 제시되고 있기는 하지만, 이는 화학적으로 상이한 재료를 조합하는 경우이다(특허문헌 4 참조).
또한 종이로 된 아이스팩 등이 개발되고 있으나, 보냉팩의 기능과 효과, 그리고 향후 재사용 등을 고려해 보면, 아직까지는 적극적으로 적용되고 있지는 못하고 있는 실정이다. 즉 상기와 같은 재질의 아이스팩은 외부 충격에 대한 완충효과가 떨어지고, 수분에 대한 내구성이 많이 약하다는 문제점이 있다(특허문헌 5 참조).
또한 아이스팩의 내부에는 젤 형태의 가교구조를 가진 고흡수성 수지와 물로 이루어진 혼합물을 채워 얼린 것을 냉매로 사용하는 경우도 있으며, 이를 폐기하는 과정에서 젤 형태의 녹은 냉매를 그냥 버리게 되어 하수구가 막히게 되므로 이 또한 심각한 수질오염의 원인이 된다.
이에 대한 대안으로서 플라스틱 포장재 안에 물을 채우고 이를 얼린 얼음을 냉매로 사용한 아이스팩 제품이 최근에는 주로 사용되고 있다. 하지만, 충격을 받아 포장재가 파손되면, 냉매인 얼음이 날카롭고 뾰족한 모양으로 깨지므로, 낙하시 얼음조각으로 인해 천공이 발생하는 등 많은 문제점이 발생할 수 있다. 그래서 얼음을 냉매로 한 아이스팩용 포장재는 우수한 내충격성 또는 낙하 내파손성 특성이 요구된다.
따라서 냉매인 얼음에 의한 저온 보냉성이 좋고, 포장재의 내충격성, 낙하 내파손성 특성 및 봉투성형성이 우수하며, 단일소재에 의한 사용후 재활용이 가능한 친환경 발포 다층필름 및 이를 이용하는 아이스팩의 개발이 필요하다.
국내등록특허 제10-2261130호(등록일 2021.05.31.) 국내등록특허 제10-2240271호(등록일 2021.04.08.) 국내등록특허 제10-2473886호(등록일 2022.11.30.) 국내공개특허 재2015-0106964호(공개일 2015.09.22.) 국내공개특허 재2021-0122924호(공개일 2021.10.13.
이정일, "공압출 다층 BLOWN 필름의 제조방법 및 동향", 포장정보, 1994.10., p55~61.
본 발명은 얼음을 냉매로 한 포장재의 내충격성과 보냉성을 위해 무연신 폴리에틸렌 필름으로만 구성되는 아이스팩용 다층 발포필름을 제공하고자 한다.
또한 폴리에틸렌 단일소재로만 구성되어 있어 사용 후 재활용에 아무 문제가 없는 친환경 아이스팩 포장재를 제공하고자 한다.
또한 기존의 아이스팩용 발포 다층시트를 제조시 필요한 다수의 개별 공정단계를 단순화하고자 한다.
본 발명은 표면층(110), 발포층(120), 내면층(130)로 구성된 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름에 있어서, 상기 표면층은 밀도가 0.948~0.968g/cm3의 범위인 고밀도 폴리에틸렌 수지를 단독 사용하거나, 상기 범위인 고밀도 폴리에틸렌 수지 80 중량비에 대해 밀도가 0.920~0.940g/cm3 의 범위인 다른 폴리에틸렌 수지를 20 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하고, 상기 발포층은 발포제가 첨가된 저밀도 폴리에틸렌 수지를 단독으로 사용하거나, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지 90~50중량부에 선형 저밀도 폴리에틸렌 또는 비닐아세테이트를 10~50 중량부를 혼합하여 사용하며, 이들의 용융지수는 0.2 ~ 8 g/10min인 범위인 것을 특징으로 하고, 상기 내면층은 밀도가 0.860~0.900g/cm3 인 폴리올레핀 엘라스토머 또는 0.880~0.910g/cm3 인 초저밀도 폴리에틸렌이 70~100 중량비에 대해, 밀도가 0.915~0.925g/cm3 인 저밀도 또는 선형 저밀도 폴리에틸렌이 0~30 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하고, 한번의 블로운 공압출 공정을 거쳐 제조된 것을 특징으로 하는 발포 다층필름을 제공한다.
상기 표면층은 고밀도 폴리에틸렌의 MFR가 25~60이고, MI가 0.5~1.5 g/10min 이고, VICAT 연화점이 125~129℃인 것을 특징으로 한다.
상기 발포층의 발포율은 20%~200% 비율을 가진 것을 특징으로 한다.
상기 내면층은 열봉합 온도가 125℃ 미만인 수지를 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름을 포함하는 아이스팩을 제공한다.
본 발명은 발포층(120)을 포함한 발포 다층필름을 이용함으로 인해, 아이스팩 포장재의 낙하 내파손성과 보냉효과가 모두 우수한 특성을 보여주었다.
또한 포장재의 재질 구성이 모두 폴리에틸렌으로만 구성된 유니소재이므로 다층으로 합지하는 과정에서 수축율이 달라지는 문제도 없고, 사용 후 재활용성이 우수한 친환경 아이스팩으로 유용하게 사용될 수 있다.
특히 무연신 폴리에틸렌 필름을 사용하므로 특별한 연신장치가 필요하지 않고 연신필름 제조 공정, 저온 열봉합이 가능한 발포 필름을 각각 제조하여 T-die코팅 또는 드라이 라미네이션하는 3단계의 공정을 거치지 않고 한번의 블로운 필름 압출공정으로 3층 발포 다층필름을 제조한다. 따라서 압출공정시 발생되는 탄소배출량에 있어서 기존의 3번 공정이 1번 공정으로 줄어들게 됨에 따라 배출량이 약 1/3 수준으로 저감되는 효과는 물론이고 전체 필름 제조 공정상 생산비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 발포 다층필름을 제조하는 공압출공정을 나타내는 그림이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발포 다층필름의 한쪽 단면을 확대한 도면이다.
도 3은 종래 기술의 일실시예에 따른 발포 다층필름의 한쪽 단면을 확대한 도면이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다.
종래의 아이스팩은 대부분 합성수지로 구성된 필름을 봉투 가공후, 상기 봉투 내에 물 등을 주입하고, 필름을 밀봉하여 제조된다.
일반적으로, 폴리에틸렌 수지는 저렴하고, 기계적특성, 위생적합성, 내수증기투과성에 뛰어나고, 성형품 외관이 양호한 등의 특징을 가지므로, 각종 포장재료나 블로운 성형물 등으로 널리 사용되고 있다. 그러나 물이나 얼음 등과 같은 내용물을 담아서 제품으로 활용하는 경우, 저온하에서 낙하충격강도가 부족해서 파괴되는 경우가 있으므로, 이의 개량이 요구되어 소재를 변경하거나 다층필름으로 구조설계하기도 한다.
외내층이 폴리에틸렌 단일소재로 제조된 포장재라 할지라도, 초내충격성을 위해서 외층을 1축 또는 2축으로 연신된 폴리에틸렌 연신필름을 사용하는 경우, 내층인 무연신 폴리에틸렌 필름과 함께 드라이 라미네이션(Dry lamination)하는 과정에서 필름의 수축율이 크게 달라져서 필름이 뒤틀리거나 휘는 현상(curl)이 나타날 수 있다.
이에 본 발명자는, 다층필름에 사용되는 수지를 모두 무연신 폴리에틸렌으로 선택하였으며, 블로운 공압출기로 3층 적층한 필름을 한번의 공정만으로 제조하되(도 1 참조), 표면층(110)은 내열성이 우수한 층으로 하고, 발포층(120)은 저온 내충격성과 보냉효과를 위해 중간층으로 하고, 내면층(130)은 저온 열봉합이 가능하게 하는 층으로, 본 발명을 완성하게 된 것이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 3개의 압출기를 이용하여 표면층, 발포층, 내면층을 환형 형상으로 압출하고 그 내부로 공기가 이송되어 팽창되며, 팽창된 원통형 다층필름이 닙 롤러를 거쳐 와인딩된다.
또한 본 발명의 친환경 아이스팩(10)은 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발포 다층필름의 한쪽 단면을 확대한 도면이다.
상기 표면층(110)은 열 안정성이 높은 고밀도 무연신 폴리에틸렌이고, 내면층(130)은 저온 열봉합이 가능한 저밀도 무연신 폴리올레핀계 엘라스토머이며, 발포층(120)은 발포제가 첨가된 저밀도 무연신 폴리에틸렌으로 중간층에 도입하여 3층 구조로 적층한다.
이때 상기 다층필름은 무연신 필름으로 제조하는 것이 특징이므로 추가적으로 필름 연신공정을 거칠 필요가 없으며, 이에 본 발명은 블로운 필름(blown film) 다층 압출기를 통해 한번의 공정으로 다층필름을 제조하였다.
일반적으로 다층 필름을 만드는 방법에는 Coating법, Lamination법, 및 공압출법 등이 있으며, 특히 공압출법은 여러 개의 원료를 압출기에서 용융한 후 용융된 원료를 다이 내에서 합쳐지게 하여 여러 층의 필름을 동시에 뽑아내어 다층 필름을 만드는 방법이다. 상기 공압출 다층 필름은 서로 다른 여러개의 원료를 사용하는 제품이기 때문에 고도의 기술과 오랜 경험이나 노하우가 함께 필요하다.
제조방식에 따라서는 블로운(Blown) 방식과 캐스팅(Casting) 방식으로 분류할 수 있으며, 블로운 필름이 캐스팅 필름에 비해 두께편차, 투명성 등에서 단점을 가지고 있기는 하지만, 분자배향이 종방향(MD)과 횡방향(TD)으로 가능하여 강도가 우수하고 강도, 신도, 두께 등을 쉽게 변경할 수 있는 장점이 있으며, 가공중 용제를 사용하지 않아서 취기문제도 없으므로, 특히 기능성 포장재 분야에서는 매우 유용한 측면이 있다.
그리고 PE 공압출 필름은 Casting 설비로 생산하는 경우는 다소 드물고 대부분 Blown 설비로 생산하는데, 이러한 설비는 국내 제작으로서 품질도 우수하다. 최근에는 새로운 자동두께조절장치 또는 냉각방식 등을 개발하여 블로운 방식의 단점들도 해결되고 있다.
특히 블로운 필름 제조 기술에는 그 필름이 1종류의 재료로 되어 있는 경우에는 문제가 발견되지 않지만, 복수 종류의 수지 재료를 층형상으로 압출하여 다층필름을 제조하는 경우에는 수지의 종류에 대응하여 그들의 융점, 연화점 및 결정화 온도가 달라, 종래 기술에 나타내는 냉각 기술에서는 필름 수지 재료간의 변형에 의한 응력이 생겨, 그 수지 필름에 컬(휨)이 발생한다. 즉 냉각 속도가 부적정하면 재료 수지의 결정화가 진행되어, 헤이즈(haze)가 생겨 상품으로서 그 품질면에서 문제가 남기 때문에 상기 조건들을 신중히 고려하여 공압출 공정을 수행할 필요가 있다. 또한 다층필름에서 중간층으로 발포층을 성형하기 때문에, 발포층의 수지 재료도 중요하지만 외층과 내층의 수지 특성도 특별할 필요가 있다.
따라서 본 발명은 발포층이 중간층에 포함된 3층 다층구조를 단 한번의 블로운 공정으로 제조할 수 있는 공정과 이에 적합한 최적의 재료 개발에 기술적 의의를 두고 있다. 특히 무연신 필름으로 제조하는 것이 아이스팩과 같은 포장재에서는 중요하다.
본 발명의 발포 다층필름의 층 구성은 표면층/발포층/내면층의 3층으로 구성되어 있고, 발포 전과 발포 후의 두께를 비교하면 아래와 같이 차이가 발생한다.
상기 필름이 발포되기 전의 두께비는 통상 1:2:1이고, 필름의 총 두께가 140㎛일 경우 각 층별 두께를 계산하면 각각 35㎛, 70㎛, 35㎛가 된다. 그런데 발포는 중간층에서만 일어나므로 발포층의 필름 두께가 증가되는 것이어서 발포 후 필름 두께가 200㎛가 되게 할 경우, 발포층의 발포 비율은 약 1.9~2.0배 수준이 된다. 결국 발포 후 3층 필름의 각 층별 두께비는 1:3.7:1 수준으로 발포층 필름의 두께가 약 130㎛ 수준으로 크게 증가된다.
종래 특허 제10-2373886호에서는 내열층 역할을 하는 표면층 시트를 40㎛로 제조하고 발포층/내층이 있는 내면층 시트의 두께를 140㎛로 한 후, 두 개의 시트를 T-die 코팅하여 합지할 때 두께가 20㎛가 되어 결국 총 두께는 200㎛가 되었다. 이때 발포층이 포함된 내면층 시트는 발포 전에 100㎛에서 발포 후 140㎛가 되는 것이며, 발포는 역시 중간층에서만 일어나므로 결국 발포층의 두께는 약 90㎛정도가 된다. 그러하다면 본 발명에서 발포층의 두께는 종래 특허보다 약 1.4배의 두께를 가진다.
따라서 발포층의 두께가 두꺼워지므로 최종적으로 필름을 열봉합하여 아이스팩을 제조할 때 기존 특허보다 두꺼워진 발포층으로 인해 더욱 열 봉합이 어려워지며 원할한 열봉합을 위해서는 더욱 높은 열로 열봉합을 해야 하는 문제점이 발생한다. 이는 발포층의 외면으로부터 열을 가하면 발포층을 지나 내면층으로 열 전달이 되어야 내면층이 열봉합되기 때문이다. 결국 표면층의 내열특성이 강화되지 않으면 열 봉합과정에서 표면층이 녹거나 표면이 우그러지는 문제점이 발생한다는 것이다.
즉 상기 문제점을 해결하기 위해서는 사용하는 수지의 내열성 등을 아래와 같이 차별화시킬 필요가 있다.
필름의 외층: 표면층(110)
상기 아이스팩의 표면층에 사용되는 수지는 내열 안정성이 높은 고밀도 폴리에틸렌을 선택하였는바, 열봉합시 필름이 뒤틀리거나 녹지 않도록 하여 열봉합을 할 때 고속으로 봉합(접착)을 할 수 있도록 하였다. 상기 표면층을 내열층이라고도 한다.
따라서 본 발명에서는 특정한 분자 구조를 갖는 고밀도 폴리에틸렌을 선정 사용함으로써 상기 문제점을 해결할 수 있었다.
표면층에 사용되는 수지는 밀도가 0.948~0.968g/cm3의 범위인 고밀도 폴리에틸렌 수지를 단독 사용하거나, 상기 범위인 고밀도 폴리에틸렌 수지 80 중량비에 밀도가 0.920~0.940g/cm3의 범위인 다른 폴리에틸렌 수지를 20 중량비 범위내에서 혼합하는 것을 특징으로 한다.
밀도가 0.920~0.940g/cm3의 폴리에틸렌 수지를 혼합하여 사용하는 것은 통상 고밀도 폴리에틸렌 단독 사용할 경우에 필름 표면에서 주름이 발생하는 경우가 가끔 있으므로 밀도가 낮은 상기 폴리에틸렌 수지를 소량 혼합하여 주면 이런 문제가 해결된다.
따라서 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌을 단독으로 사용하는 것이 가장 좋으나 압출기의 특성에 따라 필름 표면에 주름이 발생할 경우에는 밀도가 낮은 폴리에틸렌 수지를 5~20중량비 혼합하여 주는 것이 좋다.
또한 상기의 고밀도 폴리에틸렌은 분자량 분포도가 좁은 것을 선호한다. 이는 통상 MFR(Melt flow ratio, MI 21.6kg/MI 2.16kg의 비)로 대변할 수 있는데, 필름용 고밀도 폴리에틸렌의 MFR은 일반적으로 30~160 정도의 범위를 갖고 있으며 통상의 필름용으로 가장 많이 적용되는 MFR은 130~160 수준이다. 그러나 본 발명에서는 MFR이 25~60인 것이 선호되며 더욱 바람직하게는 MFR이 25~35 수준이 좋다.
즉 MFR이 넓은 고밀도 폴리에틸렌은 MFR이 넓은 만큼 저분자량체가 증가한다는 의미이고, 가급적 MFR이 적어야 저분자량체가 적다. 따라서 비록 고밀도라 하더라도 내열성이 약하므로 저분자량체가 적은 폴리에틸렌일수록 내열성이 상승하기 때문이다.
또한 블로운 필름용으로 적용하기 위해서는 고밀도 폴리에틸렌의 MI(melt index)도 중요하다. MI가 낮을수록 필름용으로 우수하지만 본 발명에 적합한 MI는 0.5~1.5 g/10min 수준이다. 0.5 이하의 MI를 갖는 고밀도 폴리에틸렌을 사용할 경우는 필름 표면에 겔이 발생하여 양호한 필름을 제조할 수 없으며, 1.5 이상의 MI를 갖는 제품을 사용할 경우는 내열성이 약해져 부적합하다.
또한 고밀도 폴리에틸렌의 내열성을 나타낼 수 있는 VICAT 연화점(플라스틱에 열을 가하여 연화되기 시작하는 온도를 말한다, ASTM D1525)도 역시 중요한 요소 중 하나이다. 통상의 필름용 고밀도 폴리에틸렌의 VICAT 연화점은 123~129℃ 정도이나 본 발명에 적합하기 위해서는 VICAT 연화점이 125~129℃의 수지가 선호된다. 더불어 결정화 온도도 117~122℃의 범위에 있는 수지가 바람직하다.
따라서 분자량 분포도가 넓거나 결정화 온도가 다소 낮은 제품은 3층 다층 필름으로 만든 후 필름의 열봉합할 때, 내열성이 저하되어 필름의 외층이 녹아붙는 등의 열봉합 불량이 발생할 수 있다.
필름의 중간층: 발포층(120)
아이스팩 필름의 중간층은 발포층(120)으로 보냉효과와 저온 내충격성을 향상시키는데 주 목적이 있다.
발포층(120)은 발포제가 첨가된 저밀도 폴리에틸렌 수지를 이용하여 블로운 필름 압출성형기로 제조되는데, 이러한 경우 필름의 성형이 용이하지 않아서 상기 수지의 멜트 인덱스(MI)가 적절하게 고려해줄 필요가 있다. 일반적으로 발포 과정을 거치게 되면 발포 셀로 인해 빈 공간이 발생하고 이들의 분포상태에 따라 기계적 강도에 커다란 영향을 미치게 되므로, 수지 물성 중 흐름성을 주요 요소로 고려할 필요가 있다. 따라서 상기 사용 수지의 용융지수(MI)는 0.2 ~ 8 g/10min의 범위가 바람직하다.
사용 수지는 저밀도 폴리에틸렌 단독이 바람직하지만, 필요에 따라 저밀도 폴리에틸렌 수지 90~50 중량부에 선형 저밀도 폴리에틸렌 또는 에틸렌비닐아세테이트 등을 10~50중량부 혼합할 수도 있다.
블로우 성형성을 좋게 하기 위해서 필요에 따라 통상 폴리에틸렌계 수지에 사용되고 있는 열안정제, 내후안정제, 자외선흡수제, 내방사선제, 결정조핵제, 무기충전제, 활제, 가소제, 유기과산화물, 중화제, 가교제, 안료, 염료 등의 각종 참가제 및 기계물성을 개량하기 위한 엘라스토머 등의 부원료를 첨가할 수 있다.
발포층(120)의 발포율은 20%~200% 비율을 가지며, 발포율은 무기 또는 유기 발포제나 가스 발포제를 사용하여 조정할 수 있다. 발포율이 200% 이상이 되면 보냉효과와 저온 내충격성이 좋아지나 발포층이 두꺼워져 필름의 열봉합시 발포층으로부터 내층의 열봉합층까지 열전달이 충분하지 못하여 열봉합 불량이 발생할 수 있다. 발포율이 20% 미만일 경우는 보냉효과와 저온 내충격성이 미흡하게 된다. 상기 발포율은 100%~200%가 가장 바람직하다.
구체적인 발포제의 예로서는 유기 또는 무기 열분해형 발포제, 질소, 이산화탄소, 프로판, 부탄 등의 기체를 사용할 수 있다. 발포제는 사용 수지에 그대로 첨가해도 괜찮지만, 미리 수지 성분에 첨가한 마스터 배치로서 첨가하여 분산성을 높일 수도 있다.
발포조제로서 탈크, 실리카, 산화티탄, 스테아린산, 프탈산, 스테아린산아연, 스테아린산납, 스테아린산마그네슘, 스테아린산칼슘, 에틸렌글리콜, 글리세린, 에탄올아민, 요소, 요소 유도체, 멜라민, 2 알칼리성 아인산납, 3 알칼리성 황산납, 산화아연 등을 배합할 수 있다.
특히 발포층(120)을 포함하는 다층필름을 제조하기 위해서는 상기의 성분 비율은 물론이고 제조 조건도 매우 중요하지만, 여기서는 특별히 제한하지 아니한다.
필름의 내층: 내면층(130)
필름의 내면층(130)은 아이스팩 필름 내부에 얼음과 같은 냉매를 충진하고 봉지로 접합할 때 용이하게 열접착이 될 수 있도록, 비교적 저온에서 고속으로 열봉합이 가능하게 하는 것이 중요하다. 이를 열봉합층이라고도 한다.
내면층에 사용하는 수지의 열봉합 온도는 125℃ 미만인 것이 적합하다. 바람직하게는 90~110℃가 되는 수지를 선정하는 것이 가장 좋다.
상기 특성을 위한 폴리에틸렌 수지는, 밀도가 0.860~0.900g/cm3 인 폴리올레핀 엘라스토머, 0.880~0.910g/cm3 인 초저밀도 폴리에틸렌, 0.915~0.925g/cm3 인 저밀도 폴리에틸렌, 및 0.915~0.925g/cm3 인 선형 저밀도 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명을 상기 종래 특허와 비교하면, 발포층의 두께가 두꺼워지므로 이에 따라 저온 열봉합 성능이 더욱 우수하여야만 본 발명을 성공적으로 제조할 수 있다. 즉 한번의 블로운 공압출 공정만으로 발포 다층 필름을 제조하려면, 결국 각 층에 사용되는 무연신 폴리에틸렌 수지의 특성이 차별화되어야 한다.
본 발명에 적합하기 위해서는 밀도가 0.860~0.900g/cm3 인 폴리올레핀 엘라스토머 또는 0.880~0.910g/cm3 인 초저밀도 폴리에틸렌이 70~100 중량비에 대해, 0.915~0.925g/cm3 인 저밀도 또는 선형 저밀도 폴리에틸렌이 0~30 중량비로 혼합하는 것이 좋다. 이외의 혼합비에서는 충분한 저온 열봉합성이 나타나지 않아서 불량 또는 열봉합 속도가 늦어지는 문제점이 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예 및 비교예를 중심으로 살펴보면 다음과 같다.
[실시예 1]
아이스팩의 필름은 3층 블로운 공압출기를 활용하였다. 아이스팩 필름의 표면층(110)의 수지는 한화솔루션의 3390(MI:1.0, 밀도:0.952g/cm3)와 롯데의 UL912A(MI: 1.2, 밀도: 0.920g/cm3)을 각각 90 : 10 함량비로 혼합 사용하였다.
아이스팩의 중간층인 발포층에 사용된 수지는 한화솔루션의 LDPE 5302(MI: 0.3, 밀도 0.922g/cm3)이었으며, 발포제는 탄산수소나트륨과 아조디카르본아미드를 1:1로 혼합하여 한화솔루션의 LDPE 5321로 미리 30% 농축한 마스터 배치를 만든 다음 발포층(120)에 3% 혼합하였다.
아이스팩의 내면층(130)에 사용되는 수지는 저온에서 열봉합성이 발현되어야 하므로 SK의 Supreme 891(MI: 1.0, 밀도 0.885g/cm3)과 한화솔루션의 4200D(MI: 1.6, 밀도 0.920g/cm3)를 80 : 20 중량비로 혼합 사용하였다.
필름 가공할 때에는 3층 필름의 총 두께가 발포전에는 140㎛이었으나 발포 후에는 200㎛가 되도록 조절하였으며, 발포후 3층 필름에서 중간에 위치한 발포층(120)의 두께는 약 130㎛ 수준으로 크게 증가되었다.
상기 발포 3층 필름으로 제조된 아이스팩 봉투 필름의 낙하 내파손성 및 보냉효과를 측정하였고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
[실시예 2]
아이스팩의 3층 필름 제조시 중간층의 발포층에 사용되는 발포제의 종류를 가스 발포제로 질소를 사용하는 것 이외에는 층별 사용 수지 및 그 함량비를 포함한 가공조건은 실시예 1과 동일하였다.
[실시예 3]
아이스팩의 표면층(110)의 수지는 SK의 8300(MI:0.7, 밀도:0.963g/cm3)와 롯데의 UL912A(MI: 1.2, 밀도: 0.920g/cm3)을 각각 80 : 20 함량비로 혼합 사용하였고, 아이스팩의 내면층(130) 수지로 SK의 Supreme 891(MI: 1.0, 밀도 0.885g/cm3)과 한화솔루션의 4200D(MI: 1.6, 밀도 0.920g/cm3)를 70 : 30 중량비로 혼합 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하였다.
[실시예 4]
아이스팩 3층 필름의 표면층 수지는 실시예 3과 동일하게 사용하였고, 중간층의 발포제는 실시예 2와 동일하게 질소 발포제를 사용하였다. 이외에는 실시예 1과 동일하게 하였다.
[비교예 1]
아이스팩의 필름은 실시예 1과 같이 3층 블로운 공압출기를 활용하였다. 아이스팩의 표면층(110)의 수지는 한화토탈의 C440A(MI:2.1, 밀도:0.968g/cm3)와 롯데의 UL912A(MI: 1.2, 밀도: 0.920g/cm3)을 각각 80 : 20 함량비로 혼합 사용하였다.
아이스팩의 중간층인 발포층(120)에 사용된 수지는 한화솔루션의 LDPE 5302(MI: 0.3, 밀도 0.922g/cm3)이었으며, 발포제는 탄산수소나트륨과 아조디카르본아미드를 1:1로 혼합하여 한화솔루션의 LDPE 5321로 미리 30% 농축한 마스터 배치를 만든 다음 발포층(120)에 3% 혼합하였다.
아이스팩의 내면층(130)에 사용되는 수지는 SK의 891(MI: 1.0, 밀도 0.885g/cm3)과 한화솔루션의 4200D(MI: 1.6, 밀도 0.920g/cm3)를 70 : 30 중량비로 혼합 사용하였다.
[비교예 2]
아이스팩의 필름은 실시예 1과 같이 3층 블로운 공압출기를 활용하였다. 아이스팩의 표면층(110)의 수지는 한화토탈의 F920A(MI:1.0, 밀도:0.956g/cm3)와 롯데의 UL912A(MI: 1.2, 밀도: 0.920g/cm3)을 각각 90 : 10 함량비로 혼합 사용하였다.
아이스팩의 중간층인 발포층(120)에 사용된 수지는 한화솔루션의 LDPE 5302(MI: 0.3, 밀도 0.922g/cm3)이었으며, 발포제는 탄산수소나트륨과 아조디카르본아미드를 1:1로 혼합하여 한화솔루션의 LDPE 5321로 미리 30% 농축한 마스터 배치를 만든 다음 발포층(120)에 3% 혼합하였다.
아이스팩의 내면층(130)에 사용되는 수지는 LG의 LF100A(MI: 1.2, 밀도 0.903g/cm3)과 한화솔루션의 4200D(MI: 1.6, 밀도 0.920g/cm3)를 60 : 40 중량비로 혼합 사용하였다.
[비교예 3]
아이스팩의 층 구성을 2개의 필름으로 제조한 후 합지하여 아이스팩 봉투필름을 제조하였다. 상기 2개의 필름이란 도 3과 같이 표면층시트(210)와 내면층시트(220)의 두개의 필름을 각각 만들고 합지하여 만든 다층필름을 의미한다(등록특허 제10-2473886호의 실시예 1 참조).
표면층시트(210)는 폴리에틸렌 무연신 필름으로 2층 블로운 압출기를 활용하였다. 상기 표면층시트에서 도 3의 외층 A(211)의 수지는 한화토탈의 C440A(MI:2.1, 밀도:0.968g/cm3)와 롯데의 UL912A(MI: 1.2, 밀도: 0.920g/cm3)을 각각 50 : 50 함량비로 혼합 사용하였고, 도 3의 내층 A(212)의 수지는 한화토탈의 C440A, 롯데의 UL912A를 각각 20 : 80 함량(중량)비로 혼합 사용하였다. 이때 표면층시트의 두께는 합쳐서 30㎛로 하였다.
내면층시트(220)도 폴리에틸렌 무연신 발포 필름으로 2층 블로운 압출기를 활용하였다. 도 3의 내면층시트 발포층(221)에 사용된 수지는 한화솔루션의 LDPE 5302(MI: 0.3, 밀도 0.922g/cm3)이었으며, 발포제는 탄산수소나트륨과 아조디카르본아미드를 1:1로 혼합하여 한화솔루션의 LDPE 5321로 미리 30% 농축한 마스터배치를 만든 다음 발포층(221)에 3% 혼합하였다. 이때 무연신 발포층(221)의 두께는 발포 전에는 100㎛이었으나 발포 후에는 140㎛가 되도록 조절하였다.
특히 내면층시트의 내층 B(222)는 상대적으로 저온에서 열봉합성이 발현되어야 하므로 SK의 Supreme 891(MI: 1.0, 밀도 0.885g/cm3)과 한화솔루션의 4200D(MI: 1.6, 밀도 0.920g/cm3)를 50 : 50 함량비로 혼합 사용하였다.
발포전 내면층 시트의 두께비는 발포층(221)/내층 B(222)=2/1(두께로 계산시 67㎛/33㎛)이었다. 발포는 발포층에서만 일어난 후 발포층/내층 B=3.2/1(두께로 계산시 107㎛/33㎛)이 되었다. 발포 전에는 67㎛이었으나 발포 후에는 107㎛가 되었다.
제조된 두 시트, 즉 아이스팩 표면층시트와 내면층시트(발포층 포함)의 무연신 필름을 T-die 코팅하여 합지하여 다층시트를 제조하였다. T-die 코팅시에 사용한 수지는 한화솔루션의 LDPE 950(MI: 7.5, 밀도 0.919g/cm3)를 사용하여 160~180℃ 조건하에서 압출하면서 합지하였다. 3번의 공정을 거친 최종 아이스팩용 필름의 두께는 총 200㎛가 되도록 하였다(표면층시트 40㎛, 내면층시트 140㎛, 합지 20㎛).
[비교예 4]
아이스팩 포장 필름으로 현재 시중에 유통 중인 제품을 비교예 4로 선정하였다. 어떠한 방법으로 제조하였는지는 명확하지 않지만 발포층(221)을 포함한 포장재는 아님을 눈으로 확인하였다. 배달전문업체인 “쿠팡”에서 사용하는 PE 단일소재로 되어 있는 아이스팩을 입수하여 아이스팩을 상온에 오랫동안 방치하여 물이 완전히 녹은 다음 실시예 1과 같은 방법으로 내파손성 및 보냉효과를 측정하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.
상기 실시예 및 비교예의 사용된 수지들의 종류, 혼합비 및 물성에 대해서는 표 3에 정리하였다.
평가 1. 열봉합 결과
열봉합 결과는 열봉합 시작온도와 열봉합 강도를 측정하여 비교하였다. 측정방법은 ASTM F88법을 기준으로 하여 열봉합시 압력을 2kgf/cm2으로 1.5초간 열봉합한 후 실링강도가 2kgf 이상을 나타낼 때의 열봉합 온도를 열봉합 시작온도로 나타내었다. 열봉합 강도는 열봉합 후 실링강도가 최종 안정화될 때의 강도로 측정하였다. 또한 열봉합 후 열봉합면의 외관을 비교하여 표면이 깨끗한지 여부 또는 열에 의해 필름 표면이 녹았는지 여부 등의 외관을 비교 평가하였다.
상기 실시예와 비교예의 다층필름으로 제조된 아이스팩 봉투 필름의 열봉합 시작 온도, 열봉합 강도 및 열봉합 후 외관 특성은 표 3에 나타내었다.
실시예 경우, 열봉합 시작온도는 105~110℃인 반면에, 비교예 경우는 120℃ 이상으로 상대적으로 높고, 열봉합 후 외관은 비교예 3을 제외하고는 나머지 비교예들은 표면이 녹아붙는 불량을 보여주고 있다.
평가 2. 낙하 내파손성
낙하 내파손성은 저온 내충격성 및 천공 저항특성을 동시에 나타낼 수 있다. 상기 아이스팩의 표면층필름 및 내면층필름을 드라이 라미네이션하여 적층 합지한 다음, 가로 150mm, 세로 200mm의 크기의 봉투를 만들어 물을 300g 충진하고 열봉합 다음 이를 충분히 얼려 아이스팩 샘플을 제조한다. 이후, 2m 높이에서 자유낙하시켜 파손율을 4등급으로 비교 측정하였다. 시료는 10개씩 제조하고 이를 낙하하여 파손율의 평균을 측정하였다. 아래 표 1은 파손율 수치를 기준으로 4 등급으로 구분한 것이다.
2m 낙하 우수 양호 보통 불량
파손율(%) 10% 미만 20% 미만 20%~50% 50% 이상
상기 실시예와 비교예의 다층필름으로 밀봉하여 제조된 아이스팩의 낙하 내파손성을 측정하였고 그 결과를 표 4에 나타내었다.
평가 3. 보냉효과
보냉효과는 낙하 내파손성 평가를 할 때와 동일한 방법으로 아이스팩을 만들고 이에 물 300g을 충진하고 열봉합한다. 충분히 물이 얼었을 때 아이스팩을 상온 25℃에서 2시간, 4시간을 실내에서 방치한 후 개봉하여 물이 생성된 무게를 측정하여 비교하였다. 아래 표 2는 녹은 물의 양을 기준으로 4 등급으로 구분한 것이다.
보냉 우수 양호 보통 불량
2시간 후 녹은 물의 양 50g이하 70g이하 100g이하 100g이상
4시간 후 녹은 물의 양 140g이하 170g이하 200g이하 200g이상
상기 실시예와 비교예의 다층필름으로 밀봉하여 제조된 아이스팩의 보냉효과를 측정하였고 그 결과를 표 4에 나타내었다.
구분 필름층 사용수지 혼합비 MI MFR 밀도 Vicat
연화점 		열봉합 시작온도(℃) 열봉합강도
(kgf) 		열봉합면 외관
실시예 1 외층 3390
UL912A		 90%
10%		 1.0
1.2		 30
40		 0.952
0.920		 126
95		 105 3.4 양호
중간층 5302 100% 0.3 - 0.922 -
내층 891
4200D		 80%
20%		 1.0
1.6		 - 0.885
0.920		 -
실시예 2 실시예 1과 동일 수지 (중간층의 발포제만 다름) 110 3.5 양호
실시예 3 외층 8300
UL912A		 80%
20%		 0.7
1.2		 55
40		 0.963
0.920		 125
95		 107 3.1 양호
중간층 5302 100% 0.3 - 0.922 -
내층 891
4200D		 70%
30%		 1.0
1.6		 - 0.885
0.920		 -
실시예 4 실시예 3과 동일 수지 (중간층의 발포제만 다름) 110 3.2 양호
비교예 1 외층 C440A
UL912A		 80%
20%		 2.1
1.2		 130
40		 0.968
0.920		 128
95		 125 3.0 불량
(표면이 녹음)
중간층 5302 100% 0.3 - 0.922 -
내층 891
4200D		 70%
30%		 1.0
1.6		 - 0.885
0.920		 -
비교예 2 외층 F920A
UL912A		 90%
10%		 1.0
1.2		 30
40		 0.956
0.920		 125
95		 125 3.0 불량
(표면이 녹음)
중간층 5302 100% 0.3 - 0.922 -
내층 LF100A
4200D		 60%
40%		 1.2
1.6		 - 0.903
0.920		 -
비교예 3 표면층 시트 외층 C440A
UL912A		 50%
50%		 2.1
1.2		 130
40		 0.968
0.920		 128
95		 120 3.0 양호
내층 C440A
UL912A		 20%
80%		 2.1
1.2		 130
40		 0.968
0.920		 128
95
내면층 시트 발포층 5302 100% 0.3 - 0.922 -
내층 891
4200D		 50%
50%		 1.0
1.6		 - 0.885
0.920
합지(표면층 시트/내면층 시트): T-die 코팅
비교예 4 국내 시중에 유통중인 아이스팩 포장 필름
(쿠팡 PE 단일소재 아이스팩)		 측정
불가		 측정
불가		 측정
불가
상기 평가 2와 3에 의해 종합적으로 살펴본 결과, 전반적으로 본 발명의 실시예 가 비교예에 비해 낙하 내파손성 및 보냉효과가 다소 차이가 있음을 알 수 있다.
특히 비교예 1, 2는 실시예와 같이 한번의 블로운 공압출기 공정으로 3층 필름을 제조하였지만, 외층(내열층)과 내층(열봉합층)의 수지 특성과 혼합비를 달리한 결과, 열봉합 특성이 저하되어 아이스팩으로 적용이 어려웠다. 즉 낙하 내파손성과 보냉효과는 평가를 진행할 수도 없는 정도였다.
그러나 비교예 3은 실시예 1~4와는 다르게 표면층시트와 내면층발포 시트를 각각 제조한 후 2개의 시트를 합지하여 아이스팩을 제조한 경우이므로, 열봉합 후 표면이 양호하여 상품으로 적용하는데 문제가 없었다. 다만 3회 공정을 수행하여야 하므로 동일두께 제조시 필름의 원가 비용은 3배 이상 높을 수밖에 없다.
전반적으로 비교예 1, 2를 제외하고는 실시예의 낙하 내파손성과 보냉효과는 우수 또는 양호한 편이나, 표 4에서도 알 수 있듯이 제조원가가 높고 탄소배출량이 많은 단점이 있다. 특히 비교예 3 경우, 2시간 또는 4시간 후 녹은 물의 양을 수치상으로 비교해보면, 비록 우수 등급으로 표시하였지만 실시예에 비해서는 다소 물의 양이 많아서 보냉효과가 다소 부족하다고 볼 수 있는바, 이는 앞서 살펴보았듯이 최종 아이스팩의 두께가 동일할 경우 발포층의 두께가 상대적으로 얇으므로 보냉효과가 다소 떨어지는 것이라고 볼 수 있다.
구분 낙하 내파손성 보냉효과 제조원가 탄소배출량
파손율(%) 결과 2시간후 녹은 물의 양 4시간후 녹은 물의 양 결과
실시예 1 0 우수 35 120 우수 동일두께 제조시 비교예 3보다 필름 가공비용 약 1/3 절감 0.25톤 CO2 발생/
1톤 아이스팩 필름 제조시 기준**
실시예 2 0 우수 30 100 우수
실시예 3 0 우수 35 120 우수
실시예 4 0 우수 30 110 우수
비교예 1 열봉합 불량으로 미 평가
비교예 2 열봉합 불량으로 미 평가
비교예 3 0% 우수 40 130 우수 실시예보다 가공비용 약 3배 발생* 0.75톤 CO2 발생/
1톤 아이스팩 필름 제조시 기준**
비교예 4 20% 양호 60 180 보통 - -
* 비교예 3는 3회 압출 공정(표면층시트 제조, 내면층시트 제조, 2개 시트의 합지 과정)을 거치는 반면에 실시예 1~4는 단 한번의 공압출 공정으로 필름을 제조함.
** 전력 1kwh을 사용할 때 발생되는 CO2의 양은 424gr/kwh임(에너지타임즈 기사 참조), PE필름 1kg 생산시 약 전력 0.59kwh 사용 기준(자체보고서 참조).
본 발명의 발포 다층필름은 표면층, 발포층, 내면층을 동시에 3층 구조로 한번의 공압출공정을 거쳐 제조된 것으로, 두께가 향상된 발포층(220)을 중간층으로 도입할 수 있으므로, 기존의 공정보다 제조원가가 저렴하고 탄소배출량이 상대적으로 적을 뿐만 아니라, 우수한 낙하 내파손성과 보냉효과를 나타내어 친환경 아이스팩과 같은 포장재의 용도로 매우 적합하다.
10 : 아이스팩, 110 : 표면층, 120 : 발포층, 130 : 내면층
20 : 아이스팩, 210 : 표면층시트, 220 : 내면층시트, 221 : 발포층

Claims (5)

  1. 표면층(110), 발포층(120), 내면층(130)로 구성된 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름에 있어서,
    상기 표면층은 밀도가 0.948~0.968g/cm3의 범위인 고밀도 폴리에틸렌 수지 90중량비에 대해 밀도가 0.920~0.940g/cm3 의 범위인 다른 폴리에틸렌 수지를 10 중량비로 혼합하거나, 상기 범위인 고밀도 폴리에틸렌 수지 80 중량비에 대해 밀도가 0.920~0.940g/cm3 의 범위인 다른 폴리에틸렌 수지를 20 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하고,
    상기 발포층은 발포제가 첨가된 저밀도 폴리에틸렌 수지를 단독으로 사용하거나, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지 90~50중량부에 선형 저밀도 폴리에틸렌 또는 비닐아세테이트를 10~50 중량부를 혼합하여 사용하며, 이들의 용융지수는 0.2 ~ 8 g/10min인 범위인 것을 특징으로 하고,
    상기 내면층은 밀도가 0.860~0.900g/cm3 인 폴리올레핀 엘라스토머 또는 0.880~0.910g/cm3 인 초저밀도 폴리에틸렌이 70~100 중량비에 대해, 0.915~0.925g/cm3 인 저밀도 또는 선형 저밀도 폴리에틸렌이 0~30 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하고,
    상기 표면층은 고밀도 폴리에틸렌의 MFR가 25~60이고, MI가 0.5~1.5 g/10min 이고, VICAT 연화점이 125~129℃인 것을 특징으로 하고,
    상기 발포층의 발포율은 20%~200% 비율을 가진 것을 특징으로 하고,
    상기 발포제는 탄산수소나트륨과 아조디카르본아미드를 1:1로 혼합하여 한화솔루션의 LDPE 5321로 미리 30% 농축한 마스터 배치로 만든 발포제와 질소 가스 발포제 중에서 어느 하나를 선택하여 사용하고,
    상기 내면층은 열봉합 온도가 100~110℃ 인 수지를 선택하는 것을 특징으로 하고,
    한번의 블로운 공압출 공정을 거쳐 제조된 것을 특징으로 하는 발포 다층필름
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1의 무연신 폴리에틸렌 발포 다층필름을 포함하는 아이스팩
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