출원번호 | 10-2018-0113840 |
출원일자 | 2018년09월21일 |
특허권자 | 한국과학기술연구원 효성화학 주식회사 |
등록번호(일자) | 10-220166 (2021년01월05일) |
발명의 명칭 | 폴리케톤계 포장재용 다층 필름 및 그 제조방법 |
일반적으로 폴리케톤은 저가의 공급 원료인 일산화탄소와 에틸렌계 불포화 탄화수소 단량체를 사용하여 주쇄에 카르보닐기를 도입한 친환경 열가소성 엔지니어링 플라스틱 소재이다. 폴리케톤은 우수한 내충격성, 내화학성, 내마모성, 높은 파단신율 및 기체 차단성을 가져 자동차의 연료라인, 내장재 및 외장재, 커넥터, 케이블 타이, 톱니바퀴 기어, 파이프 및 튜브, 포장재 등 다양한 분야에 이용되고 있으나, 산소투과도가 다소 높은 편이어서 실제 포장재 필름으로 상용화하는데 한계가 있다.
또한, 에틸렌-비닐알코올 공중합체는 뛰어난 산소 차단성을 가지고 있어 포장재 시장에서 널리 사용되고 있다. 에틸렌-비닐알코올 공중합체에서 에틸렌과 비닐알코올의 조성비는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 산소 및 수분 차단성, 기계적 물성 및 성형 가공성에 큰 영향을 주는데, 비닐알코올 단위에 함유된 다량의 히드록실기로 인하여 수분에 취약하고, 인장 물성에 있어서 인장응력(tensile stress)은 높으나 인장변형(tensile strain)과 관련한 파단신율(elongation at break)이 너무 낮아 유연성이 요구되는 포장재로 응용하기 위해서는 여전히 개선의 여지가 있으며, 상용화 측면에서 에틸렌-비닐알코올 공중합체 원료의 가격이 비싼 것도 걸림돌이 되고 있다.
효성화학의 본 특허는 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로부터 형성된 기체 차단층을 포함하는 다층 필름에 관한 것이다.
본 특허에 따른 필름은, 반응식1에 따르는 일산화탄소/에틸렌/프로필렌의 삼원공중합체인 폴리케톤 50~70 중량%와 에틸렌-비닐알코올 공중합체 30~50 중량%의 블렌드로 이루어진 코어층; 및 상기 코어층의 양면에 형성된 저밀도 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 재질의 스킨층을 포함한다.
[반응식1]
(상기 반응식 1에서, m:n-m은 반복단위의 몰 비로서 0.01 내지 0.2이다)
본 특허의 실시예에서 표 1과 같은 중량비로 폴리케논과 에틸렌 비닐알코올 공중합체를 멜트 블렌딩하였고, 상기 멜트 블렌딩에 의해 토출되는 용율물을 냉각 시켜 펠렛으로 성형하였다. 상기 펠렛과 저밀도 폴리에틸렌 펫렛을 공압출하여 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로 이루어진 코어층(POK+EVOH), 상기 코어층의 양면에저밀도 폴리에틸렌의 스킨층(LDPE)이 형성된 LDPE/POK+EVOH/LDPE 구조의 다층 필름을 제조하였다(그림1 참조).
| 폴리케톤(M710F) | 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVAL) |
실시예1 | 70 중량% | 30 중량% |
실시예2 | 60 중량% | 40 중량% |
실시예3 | 50 중량% | 50 중량% |
비교예1 | 90 중량% | 10 중량% |
비교예2 | 80 중량% | 20 중량% |
[표 1] 다층 필름의 제조
[그림1] 실시예 1로부터 제조된 포장재용 다층 필름의 단면도
[표 2] 필름의 산소투과도 분석결과
표 2를 참조하면, 실시예1 내지 3에 따른 필름(POK+EVOH)의 산소투과도는 비교예1, 2에 따른 필름(POK+EVOH)의 산소투과도에 비하여 매우 낮음을 알 수 있다. 특히, 산소 차단성이 매우 우수한 것으로 알려진 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름보다도 오히려 산소투과도가 낮아 현저한 산소 차단성을 나타내었다.
[표 3] 필름의 물성측정 결과
표 3를 참조하면, 실시예1, 2에 따른 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드 필름(POK+EVOH)은 상용화된 폴리케톤 필름에 비하여 전반적인 인장물성이 크게 향상되었음을 알 수 있고, 특히 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름과 비교하면 파단신율이 매우 높아 유연성이 요구되는 포장재용 필름 소재로서 양적으로 현저한 작용효과를 갖는 것이라 할 수 있다.
효성화학 및 한국과학기술연구원이 공동 개발한 본 신소재는 상용화제 없이 혼화성이 개선된 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로부터 인장물성이 우수할 뿐만 아니라, 산소투과도가 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름보다도 낮거나 동등한 수준인 저가의 포장재용 다층 필름을 제조할 수 있다.
정리하면 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드를 이루는 성분의 조성을 폴리케톤 50~70 중량%와 에틸렌-비닐알코올 공중합체 30~50 중량%로 제어함으로써, 상용화제 없이 혼화성이 개선된 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로부터 인장물성이 우수할 뿐만 아니라, 산소투과도가 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름보다도 낮거나 동등한 수준인 저가의 포장재용 다층 필름을 제공할 수 있다.
효성화학은 KIST와 공동 특허 출원으로 본 기술에 대한 지적재산권을 확보하였으며, 효성 화학에서 기술 이전하여 식품 저장성 평가 및 양산 공정 테스트 등의 제품 생산의 마지막 단계를 진행 중에 있어 곧 상용화가 가능할 것으로 기대된다. 또한 본 필름 소재는 순수한 EVOH와 동등한 기체 차단성을 지니면서 습도 저항성과 유연성이 우수하여 식품포장 뿐 아니라 화장품, 의약품 포장재, 자동차 연료탱크, 연료파이프, 진공 단열 패널, 매립지의 침출수 포장막(geomembrane) 등 광범위한 분야에서 유용할 것으로 예상된다.
특허법인 ECM
변리사 최자영
jychoi@ecmpatent.com
02-568-2675
참조
KIST-효성화학, 기체차단성 우수한 '포장용필름 신소재' 개발, 연합뉴스 2020년 5월 21일
출원번호
10-2018-0113840
출원일자
2018년09월21일
특허권자
한국과학기술연구원
효성화학 주식회사
등록번호(일자)
10-220166 (2021년01월05일)
발명의 명칭
폴리케톤계 포장재용 다층 필름 및 그 제조방법
일반적으로 폴리케톤은 저가의 공급 원료인 일산화탄소와 에틸렌계 불포화 탄화수소 단량체를 사용하여 주쇄에 카르보닐기를 도입한 친환경 열가소성 엔지니어링 플라스틱 소재이다. 폴리케톤은 우수한 내충격성, 내화학성, 내마모성, 높은 파단신율 및 기체 차단성을 가져 자동차의 연료라인, 내장재 및 외장재, 커넥터, 케이블 타이, 톱니바퀴 기어, 파이프 및 튜브, 포장재 등 다양한 분야에 이용되고 있으나, 산소투과도가 다소 높은 편이어서 실제 포장재 필름으로 상용화하는데 한계가 있다.
또한, 에틸렌-비닐알코올 공중합체는 뛰어난 산소 차단성을 가지고 있어 포장재 시장에서 널리 사용되고 있다. 에틸렌-비닐알코올 공중합체에서 에틸렌과 비닐알코올의 조성비는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 산소 및 수분 차단성, 기계적 물성 및 성형 가공성에 큰 영향을 주는데, 비닐알코올 단위에 함유된 다량의 히드록실기로 인하여 수분에 취약하고, 인장 물성에 있어서 인장응력(tensile stress)은 높으나 인장변형(tensile strain)과 관련한 파단신율(elongation at break)이 너무 낮아 유연성이 요구되는 포장재로 응용하기 위해서는 여전히 개선의 여지가 있으며, 상용화 측면에서 에틸렌-비닐알코올 공중합체 원료의 가격이 비싼 것도 걸림돌이 되고 있다.
효성화학의 본 특허는 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로부터 형성된 기체 차단층을 포함하는 다층 필름에 관한 것이다.
본 특허에 따른 필름은, 반응식1에 따르는 일산화탄소/에틸렌/프로필렌의 삼원공중합체인 폴리케톤 50~70 중량%와 에틸렌-비닐알코올 공중합체 30~50 중량%의 블렌드로 이루어진 코어층; 및 상기 코어층의 양면에 형성된 저밀도 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 재질의 스킨층을 포함한다.
[반응식1]
(상기 반응식 1에서, m:n-m은 반복단위의 몰 비로서 0.01 내지 0.2이다)
본 특허의 실시예에서 표 1과 같은 중량비로 폴리케논과 에틸렌 비닐알코올 공중합체를 멜트 블렌딩하였고, 상기 멜트 블렌딩에 의해 토출되는 용율물을 냉각 시켜 펠렛으로 성형하였다. 상기 펠렛과 저밀도 폴리에틸렌 펫렛을 공압출하여 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로 이루어진 코어층(POK+EVOH), 상기 코어층의 양면에저밀도 폴리에틸렌의 스킨층(LDPE)이 형성된 LDPE/POK+EVOH/LDPE 구조의 다층 필름을 제조하였다(그림1 참조).
폴리케톤(M710F)
에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVAL)
실시예1
70 중량%
30 중량%
실시예2
60 중량%
40 중량%
실시예3
50 중량%
50 중량%
비교예1
90 중량%
10 중량%
비교예2
80 중량%
20 중량%
[표 1] 다층 필름의 제조
[그림1] 실시예 1로부터 제조된 포장재용 다층 필름의 단면도
[표 2] 필름의 산소투과도 분석결과
표 2를 참조하면, 실시예1 내지 3에 따른 필름(POK+EVOH)의 산소투과도는 비교예1, 2에 따른 필름(POK+EVOH)의 산소투과도에 비하여 매우 낮음을 알 수 있다. 특히, 산소 차단성이 매우 우수한 것으로 알려진 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름보다도 오히려 산소투과도가 낮아 현저한 산소 차단성을 나타내었다.
[표 3] 필름의 물성측정 결과
표 3를 참조하면, 실시예1, 2에 따른 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드 필름(POK+EVOH)은 상용화된 폴리케톤 필름에 비하여 전반적인 인장물성이 크게 향상되었음을 알 수 있고, 특히 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름과 비교하면 파단신율이 매우 높아 유연성이 요구되는 포장재용 필름 소재로서 양적으로 현저한 작용효과를 갖는 것이라 할 수 있다.
효성화학 및 한국과학기술연구원이 공동 개발한 본 신소재는 상용화제 없이 혼화성이 개선된 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로부터 인장물성이 우수할 뿐만 아니라, 산소투과도가 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름보다도 낮거나 동등한 수준인 저가의 포장재용 다층 필름을 제조할 수 있다.
정리하면 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드를 이루는 성분의 조성을 폴리케톤 50~70 중량%와 에틸렌-비닐알코올 공중합체 30~50 중량%로 제어함으로써, 상용화제 없이 혼화성이 개선된 폴리케톤과 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 블렌드로부터 인장물성이 우수할 뿐만 아니라, 산소투과도가 상용화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름보다도 낮거나 동등한 수준인 저가의 포장재용 다층 필름을 제공할 수 있다.
효성화학은 KIST와 공동 특허 출원으로 본 기술에 대한 지적재산권을 확보하였으며, 효성 화학에서 기술 이전하여 식품 저장성 평가 및 양산 공정 테스트 등의 제품 생산의 마지막 단계를 진행 중에 있어 곧 상용화가 가능할 것으로 기대된다. 또한 본 필름 소재는 순수한 EVOH와 동등한 기체 차단성을 지니면서 습도 저항성과 유연성이 우수하여 식품포장 뿐 아니라 화장품, 의약품 포장재, 자동차 연료탱크, 연료파이프, 진공 단열 패널, 매립지의 침출수 포장막(geomembrane) 등 광범위한 분야에서 유용할 것으로 예상된다.
특허법인 ECM
변리사 최자영
jychoi@ecmpatent.com
02-568-2675
참조
KIST-효성화학, 기체차단성 우수한 '포장용필름 신소재' 개발, 연합뉴스 2020년 5월 21일