폐부산물 왁스를 이용한 수성코팅제 개발

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이은주, 이석기*, 임광희

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

대구대학교 화학공학과, 경일대학교 공업화학과

Development of Water Borne Coating Agent Using Waste Wax

Eun-Ju Lee, Suk Kee Lee*, Kwang-Hee Lim

Dept. of Chemical Engineering, Taegu University

Dept. of Inustrial Chemistry, Kyungil University

서론

현재 국내 대부분의 인쇄지 코팅업체에서는 유기용제로 용액화된 고분자 수지의  오버코팅법 및 접착제로 처리된 필름의 라미네이팅법을 사용하고 있으며, 이들 코팅법은 휘발성 유기용제에 의한 환경오염을 유발시킬 뿐만 아니라 현장의 작업성을 저하시키는 등의 문제점을 발생시키고 있으므로 우선적으로 원가가 저렴하고 환경친화적인 수성코팅의 소재 개발의 필요성이 꾸준히 제기되고 있는 실정이다.

평균분자량이 10,000이하의 저분자량 폴리올레핀 왁스를 수성코팅제로 사용하기 위해서는 먼저 분자량별로 분별(fractionation)하고, 산화(oxidation)시킨 다음, 유화(emulsification)공정을 통하여 유용한 수성제품으로 활용할 수 있다.  최근에는 각종의 극성 모노머(monomer)와의 공중합과 산화분해반응, 또는 각종 화학적 변성(modification)에 의해 극성기를 부여한 산화 왁스가 알려져 있고, 천연 카르나바(carnauba) 왁스와 같은 동식물계 왁스의 특성을 갖춘 것도 나오고 있다.  그러나 분자량별로 분별되지 않은 저분자량 폴리올레핀 왁스를 수성코팅 조성물로 적용한 실례가 없는 실정이다. 이에 석유화학 폐부산물로서 분별되지 않은 저분자량 폴리올레핀 왁스의 산화반응 및 유화공정을 통하여 코팅 제반물성이 우수한 수성코팅 조성물의 제조방법을 개발하고자 한다.

실험

1. 폐부산물 PE왁스를 이용한 산화형 PE왁스 제조

평균분자량이 500 ~ 10,000 범위의 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐 등의 단독중합체 또는 그들의 공중합체에서 선택되어질 수 있는 저분자량 폴리올레핀 왁스를 열에 의해 용융시킨 다음, 공기중에서 상온 및 상압으로 유지하면서 유기 과산화물과 카르보닐 기능기를 포함하는 화합물을 적당한 용매에 용해시켜 서서히 첨가하고, 반응온도를 100 ~ 180℃로 1 ~ 3시간 동안 교반하면서 반응시킴으로써 산화 왁스를 제조하였다.  그림 1은 산화왁스 제조를 위하여 제작한 실험장치의 schematic diagram이다.

그림. 1 Schematic diagram of controlled oxidation apparatus of LMWPE

2. 유화공정개발

본 연구에서 제조한 산화 왁스 100 ~ 150 중량부, 유화제 15 ~ 90 중량부, 비누화제 5 ~ 20 중량부, 안정제 10 ~ 30 중량부를 서로 균일하게 혼합하여 100 ~ 180℃로 가열한 후,  물 500 ~ 1500 중량부를 서서히 첨가하여 유화시켜서, 유화된 용액의 고형분이 20 ~ 50 중량%인 수성코팅 조성물을 제조하였다

3. 코팅용지 성능 비교시험

3.1. 성능 비교시험시의 작업조건

코팅 재료로는 K사의 S제품를 사용하거나 또는 여천석유화학단지의 PE 생산공장에서 부산물로 폐기되는 폴리에틸렌 왁스로부터 유화시켜 제조한 수성코팅제(WEC)를 각각 사용하였다.  K사의 S제품 및 WEC의 여러 운전조건에서 박엽지에 대한 각각의 코팅 특성을 확인하기 위하여 제작한 실험용 코팅 3 roll miller 및 종이 코팅에 주로 쓰이는 6호 Bar Coater(습도막 두께: 13.7□m)를 사용하여 박엽지에 대한 코팅특성 분석하였다.  코팅 roll miller로 코팅하는 경우는 작업조건을 간극이 30□m 및 70□m일 때에 heating bath의 온도를 상온으로 유지하면서 roller(□=140mm) rpm을 700, 1000 및 1,300으로 코팅하여 코팅된 박엽지를 상온에서 48시간 건조시켰다.  한편 제 6호 Bar Coater로 코팅하는 경우는 코팅된 박엽지를 80℃에서 10분간 경화시켰다.

3.2.발수성 비교시험

수성코팅된 박엽지의 발수성 시험을 위하여 표면위에 놓인 액적에 대한 평형 접촉각, 주어진 계면 사이의 표면장력을 가지고 Dynamic Contact Analyzer(Cahn사, DCA315)를 이용한 Wilhelmy plate법에서 구하는 동적 접촉각 및 표면장력계(Face사, CBVP A-3)를 이용한 표면장력을 구하여 발수성 시험을 할 수가 있는데, 본 연구에서는 Dynamic contact analyzer와 표면장력계를 이용하여 각각의 수성코팅제로 코팅된 박엽지 표면이 물 속에 잠겼을 때에 시간이 경과함에 따른 접촉각과 표면장력의 변화를 각각 측정하여 각각의 코팅된 표면에 대한 발수성의 정도를 비교 분석하였다.

3.3 그외의 성능검사

제조한 수성코팅 조성물(WEC) 및 K사의 S제품의 수성코팅제를 유리판 위에 캐스팅하여 40℃에서 72시간 건조한 후, 생성된 필름의 투명성은 UV-VIS 분광광도계, 표면균일성은 전자현미경(SEM) 및 내열성은 열분석기(TG-DTA)로 각각 분석하였다.  또한 수성코팅 조성물의 코팅성능을 시험하기 위한 시험시편은 다음과 같은 요령으로 제조하였다.

1) 기질 : 칼라유성잉크로 인쇄된 인쇄지

2) 코팅제 : 전술한 수성코팅 조성물

3) 코팅법 : 역회전 2본 롤 오버코팅식

4) 코팅두께 : 10±2□

5) 건조조건 : 80℃에서 30초

실험결과 및 토론

기수행된 폐부산물왁스의 물성 및 성분분석으로서 DSC분석을 통하여 융점은 약 69.8℃ 및 115℃를 나타내었고 적외선 스펙트럼을 수행하여 왁스의 관능기 및 구조분석을 하였는데 2929cm-1, 3600cm-1, 1735cm-1, 1300∼1000cm-1에서 peak를 보였다.  또한 폐부산물왁스의 열중량분석을 수행하여 200∼500℃ 온도범위에서 중량이 광범위하게 감소함을 관찰하였다.[1]  그림 2와 그림 3은 산화전의 폴리올레핀 왁스 및 산화후의 산화왁스에 대한 각각의 적외선 분광분석 결과이다. 폴리올레핀왁스가 산화되어 생성된 산화왁스의 FT-IR 스펙트럼 중의 peak 중에서 산화전의 왁스의 peak와 겹쳐지지 않는, 즉 새로이 생성된 peak는 1720cm-1 및 1780cm-1으로서 산화에 의한 카르보닐기 및 maleic anhydride가 그라프트되어 생성된 카르복실 그룹의 생성 및 발달이 관찰되었다.

그림 4는 이 연구에서 제조된 수성코팅제(WEC)와 K사의 S제품의 성분분석 비교를 하기 위하여 WEC를 묽게 하여 투과도를 전체적으로 높여서 K사의 수성코팅제의 적외선 분광 스펙트럼의 비교를 용이하게 한 스펙트럼이다.  상기 두가지 제품의 적외선 분광분석을 실시한 결과 1720cm-1에서의 카르보닐 peak 및 기타 모든 peak에서 거의 일치하였다.  따라서 당 연구에서 개발한 수성코팅제는 분자량에 따른 분별(fractionation) 공정을 거치지 않았음에도 불구하고 K사의 제품의 관능기와 거의 일치함이 확인되었다.

그림 2. PE wax의 FT-IR 스펙트럼

그림 3. 산화wax의 FT-IR 스펙트럼

그림 4. 수성코팅제의 FT-IR스펙트럼 (WEC(위) 및 K사(아래))

한편 그림 5에서처럼 발수성 성능비교에 있어서 물에 담그지 아니한 시편의 경우는 WEC 및  코팅이 안된 박엽지가 K사보다 발수성이 컸으며, 물에 담가둔 시간이 1시간 이상이 지나면 시편들의 발수성이 떨어지는데 WEC가 K사보다 발수성이 약간 컸으며,한편 코팅이 안된 시편은 접촉각이 코팅 처리한 시편보다 발수성이 아주 떨어졌고 접촉각이 약 20℃정도의 차이를 보였다. 코팅이 안된 박엽지가 물에 담그지 않았을 때에 큰 발수성을 보인 것은 capillary action에 의하여 wetting 되기 전의 박엽지 자체는 hydrophobic한 특성에 기인한다고 사료된다. 이것은 유성코팅(solventless)시에 폐부산물왁스가 박엽지 조직사이에 침투하여 clot을 형성한 것을 관찰되었던 바와 일치한다.[2] 이와같은 발수성의 시간에 따른 추이는 그림 6과 같이 표면장력을 이용한 발수성 성능비교 결과와 일치하였다.

그림 5

그림 6

또한 WEC를 실험용 roll miller로 여러 작업조건에서 박엽지에 코팅하여 그림 7과 그림 8과 같은 실험 결과를 얻었는데 바코터로 코팅한 경우와 비슷하였다.

그림 7

그림 8

그외의 성능검사에서 추가적인 시험항목에 대한 시험결과로서 WEC는 K사의 S제품의 성능 과 비교할 때에 코팅제의 분산 및 저장안정성에서 우월하였고 필름의 균일성은 같은 수준이나 내열성에서 훨씬 우월하였다. 또한 코팅제지의 광택성에서는 약간 떨어지나 건조성 및 접착성에서 우월하였다.

결론

본 연구에서 개발된 수성코팅 조성물은 우수한 수분산성, 저장안정성, 투명성 및 내수성을 나타냄으로서 각종 인쇄지, 식품포장지, 위생포장지, 제과용지 및 섬유직물 등의 표면코팅에 적합함을 알 수 있었다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1.Lim,K.-H., Lee,E.-J., Jung, S.W. and Park, L.S.:Theories and Applications of Chem. Eng., 7(2), 5007(2001)

2.임광희: 2000(제8차)년도 산.학.연. 공동기술개발 지역컨소시엄 최종보고서, 대구대학교 산학협력원(2001)