일본 포장기술편람(편리성) - 13 표면장력

[YDfamily]

(3) 표면장력

컵의 가장자리까지 물을 따른 경우, 물은 넘치지 않고 수면이 솟아올라 둥글게 되는 것을 알고 있다. 이것은 물분자끼리 분자 간에 상호 작용이 생겨, 물이 응집하고 있기 때문이다. 분자 레벨로 이 거동을 보면 도2.43과 같다. 지금 액체의 내부에 있는 A라고 하는 물분자와 B라고 하는 물분자를 자세히 보면, A는 상하좌우 모든 방향이 같은 물분자에 둘러 쌓여 있는데, B는 대기에 접하는 부분과 내부의 물분자에 접하는 부분이 있다. 여기서 물분자의 사이에 작용하는 분자간 힘을 생각해 보면 액체 내부에 있는 물 분자 A에는 전 방향으로 같은 물분자가 배치되어 있기 때문에 등방(等方)적 분자간 힘이 작용한다. 한편으로 물 분자 B의 경우는 대기에 접하는 부분도 있기 때문에 물분자에 의한 분자간 힘과 대기에 존재하는 분자와의 분자간 힘이 작용한다. 하지만 이 경우는 내부 측에 존재하는 물분자의 쪽이 압도적으로 크기 때문에, 내부 측과의 분자간 힘이 대기에 있는 공기 중의 분자와 비해 크다. 이 결과 표면에 있는 분자에는 항상 내부로 끌어당기는 힘이 작용하기 때문에, 앞서 기술한 컵과 같이 수면이 솟아오른다. 이와 같이 표면의 물질을 내부로 끌어당기는 힘이 작용하여, 외관 표면적을 작게 하려는 힘들 표면장력이라고 한다. 표2.3에 대표적인 물질의 표면장력을 나타낸다. 헥산이나 에탄올에 비하여, 에틸렌글리콜과 물은 큰 값을 나타낸다. 이것은 수소결합이 작용하여 분자간의 상호 작용이 크기 때문이다.

도2.43 분자간 힘의 이미지

표2.3 각 액체의 표면장력

물질명	mN/m
헥산	18.4
에탄올	22.4
1-부타놀	25.4
1-헥사놀	26.2
벤젠	28.9
에틸렌글리콜	48.6
물	72.8

전술과 같이 물의 경우는 표면에 있는 물분자와 내부에 있는 물분자에서 받는 분자간 힘이 다르고, 다른 물질과의 계면에 있는 물질은 보다 표면적을 작게 하려고 한다(물은 동그랗게 된다). 이 것을 고체표면의 발수성능과 치환화면, 발수 시키고 싶은 고체 표면과 물의 상호 작용을 작게 하면, 물은 보다 표면적을 작게 함으로써 둥글게 된다. 표2.4에 표면이 평평한 경우의 고체표면의 물의 접촉각 및 표면장력을 나타내었다. 예외도 있는데 기본적으로는 표면장력이 낮은 고체 표면일수록 접촉각이 크게 되는 경향이다. 이것은 고체 표면의 표면장력이 작을수록 물과의 상호 작용이 작게 되고, 물은 보다 표면적을 작게 하려고 하기 때문이다. 이와 같이, 고체 표면에 발수 기능을 부여하고 싶은 경우는 표면장력이 낮은 재료를 선정하는 것이 중요하다.

표2.4 각 고체 표면의 접촉각과 표면장력

물질명	물의 접촉각(°)	표면장력(mN/m)
나일론 66	61	41~46
폴리에틸렌테레프탈레이트(미처리)	70	43
폴리스틸렌	85	33~43
폴레에틸렌	95	31
폴리테트라플루오르에틸렌	114	18
-CF3	-	6
-CH2-CH2-	-	31
-CH2-CCl2-	-	40

(4) 발수성 포장재료

발수성 포장재료란 식품에 접촉하는 면에 발수 가공을 실시한 포장 재료이고, 식품의 포장재료에서의 부착 방지, 개봉 시의 비산을 방지한다고 한 기능을 갖는 포장재료이다. 이 항목에서는 포장재료에서의 발주 기능 부여 방법과 그 과제에 대해서 서술한다.

1) 발수기능 부여방법

발수기능의 부여방법은 주로 두가지이다. 한가지는 고체 표면의 저 표면장력화, 또 한가지는 Wenzel의 모델에 나타난 것처럼 요철을 부여하는 것이다.

고체 표면의 표면장력을 저하시키는 경우는 발수기능을 가진 기능성 소재를 포장 재료의 내면에 코팅하고, 발수기능을 발현시키는 것이 주된 것이다. 코팅하는 재료로서는 표면 장력이 낮은 재료를 이용하는 것이 효과적이고, 불소계 재료나 발수성 실리콘 등을 코팅하는 것이 유용하다. 하지만 후술한 것과 같은 방법의 경우는 발수 기능을 얻기 쉬운데, 포장재료로서 떨어뜨릴 때에는 과제가 많다고 하는 현상도 있다.

한편, 요철을 부여하는 방법은 미세한 요철 구조를 가진 금형을 고온으로 가열하여 포장재료 표면에 눌러 붙여, 그 미세 구조를 포장재료 표면에 전사하는 부형(賦型)법이나 표면적이 큰 나노 입자를 코팅하여 표면에 미세한 요철을 부여하는 방법 등이 있다. 미세한 요철 구조를 가진 포장재료의 표면은 전술과 같이 물을 튕기는 힘이 강하기 때문에, 평평한 표면을 가진 포장 재료보다 발수성이 향상된다. 재료 고유의 표면 장력에도 기여하기 때문에, 재료의 선정도 중요하게 된다.

2) 발수성 포장재료의 과제

발수성 포장재료는 긴 기간 제창되고 있는데, 별로 실용화되지 않았다. 실용화로의 과제를 표2.5에 정리하였다.

표2.5 발수성 포장재료의 과제와 원인, 해결 지침

발수기능 부여방법	과제	원인	해결책
저 표면장력화	Seal성 저하	발수기능 부여에 따른 seal 방해	∙ Seal 조건 최적화 ∙ 발수재에 seal 성분 부여
	살균(가열, 가압) 내성	재료 고유의 과제	∙ 재료의 선정
	위생성의 확보	재료 고유의 과제	∙ 재료의 선정
요철 부여	발수성능 부족	표면 형상의 최적화가 불가능	∙ 기재의 짜깁기 ∙ 표면 형상의 최적화
	내마모성	미세한 구조	∙ 미세 구조의 고 강도화

고체 표면의 표면장력을 저하시키는 것에 관해서는, 우선 seal성의 과제를 들 수 있다. 발수 기능을 부여하고 싶은 면은 만드시 내용물에 닿는 면이 되는데, 이 면은 기본적으로 seal을 하는 면과 같다. 결국 sealant 상에 발수제를 부여해야 하고, 그 발수제가 seal을 방해해 버린다고 하는 것이다. 해결책으로서는 seal 온도의 고온화, seal 시간의 장시간화로 seal 성분을 표층으로 나오게 하는 방법이나 발수제 자체의 seal 성분 부여를 들 수 있는데, 어느 쪽도 seal 강도가 발수 기능을 부여하지 않은 것과 비교하여 낮아져 버리는 것을 피할 수 없고, 또한 후자의 경우는 발수성을 저하시켜 버리는 가능성이 있기 때문에 개발 과제로서 난이도가 높다. 또한 발수성의 재료는 불소계 재료를 중심으로 내용물에 직접 접촉하여도 좋은 그레이드가 한정되어 있고, 위생성의 확보도 중요하다고 말할 수 있다. 식품에 닿아도 인체에 영향이 없는 재료나 식품첨가물을 재료로 하여 선정하고, 또한 발수 기능을 부여 가능한 설계로 할 필요가 있다.

요철 부여에서는 특히 부형법의 경우, 발수 성능이 부족하다. 이것은 표면 형상이 최적화되어 있지 않다. 혹은 충분히 표면장력이 낮은 재료를 선정 불가능하다고 한 원인이 고려된다. 또한 표면의 내마모성도 중요하다. 요철 부여로 형성된 표면은 미세한 구조로 되었기 때문에 그 나눠 받는 힘이 약하고, 적은 외력에 형상이 바로 파괴되어 버려. 발수 성능이 손상되어 버린다. 물리적 또는 화학적인 처방으로 막을 고강도화 하고, 마모에도 견딜 수 있는 설계가 실용화가 필요하다.

3) 발수 발유기능을 이용한 포장재료

① 요구르트 뚜껑재

초발수 현상을 이용한 포장재료로서 요구르트 뚜껑재를 들 수 있다. 요구르트의 뚜껑재의 표면은 hot melt제나 heat seal lacquer제가 이용되고 있다. 이들의 성분에는 요구르트가 부착하기 쉽고 뚜껑 표면에 붙은 요구르트로 손이나 옷이 오염된다. 폐기할 때에는 내용물이 부착되어 있기 때문에 세정 작업이 필요하다고 하는 과제가 있다. 여기서 기술한 것과 같은 초 발수 가공을 뚜껑재의 내면 측에 실시하고, 요구르트의 부착을 방지하는 대책으로 되어 있다.

특허 제434801호에 따른 기본적인 발수성 요구르트 뚜껑재의 층구성은 PET / 인쇄 / 접착제 / 알루미늄박 / AC / PE 코팅 / hot melt(도2.44)의 구성이다.

발수성 요구르트 뚜껑재에 있어서는 상기 hot melt층을 물리화학적으로 처리한 것으로, 뚜껑재 내면이 초발수이고 요구르트가 부착하기 어려운 표면이다. 또한 hot melt 대신에 lacquer 타입의 사용도 있다(도2.45)

도2.44 발수성 요구르트의 뚜껑재의 구성 예

도2.45 발수성 요구르트의 뚜껑재의 구성 예

② 이형 포재

마가린, 치즈나 케익의 생크림, flower paste 등의 점조(粘稠)체는 포장 용기로부터 꺼낼 때, 용기에 내용물이 붙어 버리고, 깨끗하게 취출하는 것이 어렵다. 요구르트의 뚜껑과 같이 잔류해 버린 내용물이 있기 때문에 폐기에 수고가 든다고 하는 문제가 있는 포장 용기는 적지 않다.

이것을 해결하기 위한 구조는 각 사에서 행해지고 있고, 예를 들어 특허 공개번호 2014-181076에서는 필름의 열접착 층에 이형제를 가하는 것으로 치즈에 대한 양호한 이형성을 실현 가능하게 하고 있다(도2.46). 또한 특허 공개번호 2016-155258에서는 미세 섬유를 수지 표면 상에 배치하여 이형성을 향상시키고 있다(도2.47) 이것은 미세 섬유가 필름 표면의 표면적을 크게 하여 표면장력을 저하시키는 것을 점조체에 대한 이형성을 향상시킨다고 생각된다.

도2.46 특허 공개번호 2014-181076

도2.46 특허 공개번호 2106-155258

(5) 앞으로의 전개

주위에 식물이나 동물이 갖는 기능적인 표면 구소를 모식하고, 공업적으로 응용하는 biomimetics(생체모방)라고 하는 새로운 기술이 주목되고 있다. 이제까지 실용화된 것으로서 앞서 말한 요구르트 뚜껑재에 응용된 연 잎의 발수 효과, 전단 방향의 점착력이 우수하고, 넘길 때는 간단하게 박리 가능한 도마뱀의 손가락의 점착으로부터 힌트를 얻은 점착 테이프 등이 있다. 앞으로 자연계에서 보이는 젖음성, 발유성 등의 기능으로부터 착상을 얻은 개발이 진행되는 것을 생각할 수 있다.