KR101819056B1 - 안정한 전분 분산액의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 피드(feed) 전분 및 수산기-보유 액체(hydroxylic liquid)를 압출기에 도입하는 단계; 및 상기 압출기에서, 수산기-보유 액체내 전분 입자의 안정한 분산액을 제조하기에 충분한 조건하에서, 상기 전분 및 상기 액체에 전단력을 적용하는 단계를 포함하는, 수산기-보유 액체내 전분 분산액의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

안정한 전분 분산액의 제조 방법{PROCESS FOR PREPARING STABLE STARCH DISPERSIONS}

본 개시내용은 전분의 압출 방법에 관한 것이다.

관련 출원의 상호 참조

본원은, 그 전체를 본원에서 참고로 인용하는, 2009년 12월 10일자로 출원된 미국 가출원 제 61/285,404 호를 우선권으로 주장한다.

과거에 전분은 압출되어 왔다. 예를 들어, 식품 산업에서 전분은 압출기에서 가공되어 호화 전분(cooked starch)이 생산된다. 추가로, 전분이 압출되어 전분 펠렛이 생산된다. 전분은 가교결합제의 존재하에서 압출될 수 있음도 공지되어 있다. 압출기내에서 전분의 점도를 증가시키기 위하여, 가교결합제는 당분야의 공정에서 필수적이다.

전분계 분산액을 생산하기 위한 가교결합 화학물질의 사용을 요구하지 않는 방법을 보유하는 것은 바람직할 것이다.

피드(feed) 전분 및 수산기-보유 액체(hydroxylic liquid)를 압출기에 도입하는 단계, 및

상기 압출기에서, 상기 수산기-보유 액체에서 전분 입자의 안정한 분산액을 제조하기에 충분한 조건하에서, 가교결합제의 실질적인 부재하에 상기 전분 및 상기 액체에 전단력을 적용하는 단계

를 포함하는, 수산기-보유 액체내 전분의 분산액의 제조 방법이 개시되어 있다.

하나의 실시양태에서, 본 개시내용은,

피드 전분 및 수성 액체를, 배출구에서 배압 조절기에 연결되어 있는 압출기에 도입하는 단계,

상기 압출기에서, 가교결합제의 실질적인 부재하에 상기 전분 및 상기 액체에 전단력을 적용하는 단계, 및

상기 전분 입자의 안정한 수성 분산액을 회수하는 단계

를 포함하는, 수성 전분 분산액의 제조 방법을 제공한다.

이러한 개시내용의 전분 분산액은, 높은 결합력이 요구되는, 종이 코팅과 같은 적용례에서 유리하게 사용될 수 있다. 놀랍게도, 가교결합제-부재 방법에 의해 제조된 전분 분산액은 박테리아 오염에 다소 덜 민감하다. 이러한 개시내용의 방법은 우수한 유통 기한을 갖는 안정한 분산액을 제공할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 구체적인 내용]

개시된 방법은, 독특한 제품을 제조하기 위하여, 전분, 수산기-보유 액체 및 압출기를 사용한다. 유리하게, 개시된 방법은 가교결합 화학물질의 사용 없이 압출 공정을 사용하여 전분계 분산액을 제조한다.

이러한 개시내용의 목적을 위해서, 당 분야의 숙련자들이 이해하는 바와 같이, 수치 범위는 상기 범위 내에 포함되는 모든 가능한 하부-범위를 포함하고 지지하고자 함이 이해되어야만 한다. 예를 들어, 1 내지 100의 범위는, 1.01 내지 100, 1 내지 99.99, 1.01 내지 99.99, 40 내지 60, 1 내지 55 등을 전하고자 하는 것이다.

본 개시내용의 목적을 위하여, 안정한 분산액은 하기에서 설명되어 있는 바와 같이 안정성 시험을 통과하는 것으로 정의된다.

본 개시내용의 목적을 위하여, 비-기계적 에너지(specific mechanical energy; SME)는 시스템을 통해 유동하는 물질의 단위 질량 당 압출기 구동에 의한 기계적 에너지의 순 투입량으로서 정의된다. SME의 단위는 전형적으로 J/g이다.

왁스형, 천연 및 고 아밀로스 전분을 비롯한 피드 전분은 옥수수, 감자, 타피오카, 쌀, 밀, 보리 등을 비롯한 매우 다양한 공급원으로부터 선택될 수 있다. 많은 전분이 상업적으로 시판중이다. 전분의 혼합물이 사용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 피드 전분은 미변성된 천연 전분이다. 다른 피드 전분은 다른 이점을 산출하기 위해 의도적으로 변성된 전분, 예를 들어 카복실화 전분, 하이드록시에틸화 전분, 저항성 전분, 열적-산화된 전분, 덱스트린 유형 등을 포함한다.

피드 전분은 압출기로의 건조 공급물로서 또는 예비-습윤된 물질로서 사용될 수 있다. 건조 전분을 공급하는 경우, 적당량의 수산기-보유 액체, 바람직하게는 물이 공정의 초기에 연속적으로 또는 간헐적으로 공급되어 피드 전분 입자를 위한 습윤 매체를 제공할 수 있다. 압축기로의 공급물로서 수산기-보유 액체와 전분의 혼합물을 사용하는 경우, 고체 함량이 폭넓게 변할 수 있다. 예를 들어, 공급물질로서, 예를 들어 필터 케이크, 슬러리 등과 같은, 건조되지 않은 밀링 전분을 사용하는 것도 가능하다. 전분 공급 단계 이후의 압출기 단계에 액체를 공급하는 것도 가능하다(이것이 바람직하지만, 그 반대로 그렇다).

수산기-보유 액체는 바람직하게는 물, 알콜 및 그의 혼합물 중에서 선택된다. 유리하게는, 액체는 압출기내에서 작용가능한 혼합물을 제공하기에 충분한 양으로 사용된다. 하나의 실시양태에서, 압출기내에 사용된 액체의 양은 액체 및 전분의 중량을 기준으로 약 40중량% 내지 약 60중량%이다. 하나의 실시양태에서, 사용된 액체의 양은, 액체 및 전분의 중량을 기준으로 약 45중량% 내지 약 55중량%이다. "건조" 전분은 전형적으로 예를 들어 약 8 내지 14%일 수 있는, 그 내부의 일부 양의 물과 함께 전분 제조업자에 의해 제공된다. 상기 물은, 압출기내에서 액체의 양을 측정할 때 수산기-보유 액체로서 계산되고, 물의 중량은 전분의 건조 중량을 계산할 때는 배제된다.

하나의 실시양태에서, 선택적인 첨가제가 사용될 수 있다. 수산기-보유 액체 이외에, 예를 들어, 가소화제가 존재할 수 있다. 가소화제의 예는, 폴리올(예를 들어, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 폴리글리콜, 글리세롤, 숙크로스, 말토스, 말토덱스트린, 및 당 알콜, 예를 들어 소르비톨), 우레아, 나트륨 락테이트, 아미노산 또는 시트르산 에스터를, 전분의 건조 중량을 기준으로 5 내지 40중량%의 수준으로 포함한다. 그러나, 물이 가소화제로서 이미 작용할 수 있다. 가소화제(즉, 물 및 추가 가소화제)의 총량은 바람직하게는, 전분, 또는 전분과, 사용되는 경우, 바이오폴리머(biopolymer)의 혼합물의 건조 중량을 기준으로 5 내지 50중량%이다. 윤활제, 예를 들어, 레시틴, 기타 인지질 또는 모노글리세라이드도, 바람직하게는 전분의 건조 중량을 기준으로 0.5 내지 2.5중량%의 수준으로 존재할 수 있다. 분자량 감소 산 개질제, 바람직하게는 고체 또는 반-고체 유기산, 예를 들어 말레산, 말레산 무수물, 시트르산, 옥살산, 락트산, 글루콘산, 또는 탄수화물-열화 효소, 예를 들어 아밀라제가 전분의 중량을 기준으로 0.01 내지 5중량%의 수준으로 존재할 수 있다. 어떠한 이론으로도 제한하고자 하는 것은 아니지만, 산 개질제 또는 효소는 구체적인 크기의 입자를 포함하는 전분 분산액을 제조하는 방법에 유리한 것으로 추정되는 약한 해중합을 보조하는 것으로 여겨진다. 또한, 본원발명에 따른 제조 방법은 실질적으로 계면활성제 없이 수행된다.

공정 출발 물질은 전분과 수산기-보유 액체, 및 선택적 첨가제를 포함한다. 피드 전분은 수산기-보유 액체의 존재하에서 전단력을 사용하여 건조 또는 예비-습윤 상태로부터 가공될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 액체내 전분의 분산액의 제조 방법은 유리하게는 압출기, 바람직하게는 동시-회전 트윈 스크류 압출기를 사용한다. 유리하게, 압출기로의 공급물은 실질적으로 가교결합제가 존재하지 않는다. 유리하게, 압출기내 물질은 실질적으로 어떠한 가교결합제도 함유하지 않는다.

임의의 적합한 압출기가 사용될 수 있다. 압출기는 당분야의 숙련자들에게 공지되어 있고 다양한 방식으로 고안될 수 있다. 바람직하게, 압출기는 동시-회전 자정형 트윈 스크류 압출기이다. 하나의 실시양태에서, 상기 압출기의 배럴은, 볼트로 조이거나, 다르게는 서로 고정시키는 배럴 영역으로부터 형성된다. 유리하게, 압출기에는 온도 제어 대역이 장착되어 있다. 압출기 스크류 디자인은, 초기에는 압출기내에서 내용물을 반죽 및 전단하고, 나중에는 압출기내에서 분류(distributive) 혼합을 제공하기 위해서 유리하게 설정된다. 하나의 실시양태에서, 압출기는 액체 주입을 위해 기기의 길이에 따라 여러개의 주입점을 갖는다.

유리하게, 압출기에는, 압출기내 물질이 목적량의 SME에 적용되는 것을 보장하는 수단이 장착되어 있다. 예를 들어, 압출기에는, 바람직한 배압 조절기 또는 적합한 다이 플레이트(die plate)가 장착될 수 있다. 이러한 장치는 당업계의 숙련자들에게 잘 공지되어 있다. 배압 조절기는, 압출기에서 압력을 변화시키는 단순한 수단을 제공하기 때문에 바람직하다. 배압 조절기는, 압출기 시스템내 일정한 배출 압력을 유지하기 위해서 사용될 수 있다. 배압 조절기는 유동 경로에서 스프링 장착된 제한 또는 기계적 제한에 의해 가변적인 압력 강하를 부여할 수 있다. 트윈-스크류 압출기는 전형적으로 부분적으로 충전된 모드에서 수행되지만, 압출기 말단에서 배압 조절기 밸브 또는 다이 플레이트에 의해 부여된 제한이 압출기의 말단을 물질로 완전히 충전되도록 할 것이다. 배출구에서의 압력이 상승하기 때문에, 충전 영역의 길이는 증가한다. 배압 조절기는, 압출기의 상이한 충전 길이를 유발하는 구체적인 값으로 배출 압력을 세팅하는 신속한 수단을 제공한다. 충전된 영역의 길이를 증가시키면, 압출기내의 체류 시간 둘다가 증가하고 물질로의 보다 많은 기계적인 에너지 주입을 제공한다.

압출기내 가공은 바람직하게는 상온보다 높고 전분의 열화점 미만인 고온에서 수행된다. 온도 범위는 25℃ 이상, 바람직하게 30℃ 이상, 보다 바람직하게 40℃ 이상, 가장 바람직하게 60℃ 이상, 140℃ 이하, 바람직하게 130℃ 이하, 보다 바람직하게 120℃ 이하, 가장 바람직하게 110℃ 이하이다. 상기 방법은, 하나의 실시양태에서, 전분 g 당 100J 이상의 SME가 적용되도록 하는 방식으로 수행되는 반면, 다른 실시양태에서는, 압출기 내용물의 레올로지에 따라 250J/g 이상, 500J/g 이상이 사용될 수 있다. 압력, 예를 들어 1.5 내지 13바가, 공정을 용이하게 하도록 적용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 압력은 3 내지 12바, 또는 5 내지 10바일 수 있다.

압출 이후에, 전분 분산액은 기계적 진탕 수단을 갖는 개별적인 용기로 옮겨질 수 있으며, 여기서 부가적인 물이 첨가되어 배출구 고체 농도 미만의 임의의 바람직한 수준으로 고체 함량을 변화시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서, 공정은, 고체 함량을 증가시키기 위하여, 예를 들어 원심분리, 분사 건조, 가압된 여과, 막 여과 및 다른 공지된 방법에 의해 분산액의 액체의 적어도 일부가 제거되는 단계를 포함할 수 있다.

개시된 공정은, 다양한 바람직한 특성들을 갖는 전분 분산액을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 생성물 분산액내 전분 입자의 수 평균 입자 크기는, 투과 전자 현미경을 사용하여 측정시 약 0.02 내지 약 0.4㎛일 수 있다. 광 산란 기법은, 이들 물질이 느슨하게 뭉쳐있는 것으로 보이기 때문에 이러한 물질의 입자 크기를 측정하는 것은 효율적이지 않아서, 부정확한 결과를 낳는다. 하나의 실시양태에서, 평균 입자 크기는 약 0.05 내지 약 0.2㎛이다. 이러한 분산액은 동일한 고체 수준에서 통상적인 전분 용액에 비해 매우 낮은 점도를 갖는다.

전분의 분자량은, 다양한 가공 조건 및 전술한 바와 같은 첨가제를 사용함으로써 공지된 기법을 사용하여 폭넓게 조절될 수 있다. 전분의 입자형 특성으로 인하여 고 분자량이 실현가능하다. 하나의 실시양태에서, 생성물인 전분 분산액은 안정하며, 여기서 "안정한"이란, 하기 안정성 시험에 대한 설명에서 정의된다. 전분 입자의 평균 분자량은 유리하게는 피드 전분의 평균 분자량보다 낮다.

전분 분산액의 고체 함량은 유리하게는, 다양한 실시양태에서, 약 15중량% 이상, 약 35% 이상, 약 40% 이상, 또는 약 45% 이상이고, 유리하게는 약 60% 이하, 약 55% 이하, 또는 약 50% 이하이다. 상한치 및 하한치의 임의의 조합이 가능하다. 다양한 실시양태에서, 고체 함량은 약 35 내지 약 60%이고, 약 45 내지 약 55%일 수 있다. 분산액의 점도는 유리하게는 1,000mPa.s 이하이고, 다양한 실시양태에서는 800mPa.s 이하, 600mPa.s 이하, 또는 400mPa.s 이하일 수 있다. 분산액의 점도는 유리하게는 1mPa.s 이상이고, 다양한 실시양태에서는 5mPa.s 이상, 또는 10mPa.s 이상일 수 있다. 이러한 점도는 폭넓은 고체 함량 영역에서 발견될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 점도는 약 40 내지 약 50%의 고체 함량에서 약 1,000mPa.s 이하이다. 하나의 실시양태에서, 물질은 그대로 압출기 밖에 사용할 준비가 되어 있어서, 이는, 물질을 분말 형태로 농축시키는 일부 종래의 방법에 의해 요구되는 건조 단계와 관련된 비용을 줄일 수 있다. 이상적으로, 상기 물질은, 압출기 밖에 사용할 준비가 되어 있어서, 이것이 물질을 분말 형태로 농축시키는데 요구되는 불필수적인 건조 단계를 줄인다. 그러나, 추가로 압출기로부터의 생성물을 농축시키거나 또는 이후의 재분산을 위해 건조 분말형 물질을 제조하기 위하여, 압출기 밖에서 상기 생성물을 처리하는 것이 가능하다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 분산액은 이후의 재분산을 위해 건조된다. 분산액의 액체 함량을 줄이기 위한 다양한 수단이 당분야의 숙련자들에게 공지되어 있다. 이러한 수단의 예는, 공기 건조, 집중된 공기 건조, 분사 건조, 원심분리, 및 가압된 여과를 포함한다.

분산액은, 전분 또는 라텍스가 사용되는 임의의 현존하는 적용례에 사용될 수 있다. 예를 들어, 분산액은 종이 코팅시에 사용될 수 있다. 종이 코팅 배합물은, 라텍스 및 통상적인 코팅 전분과 같은 기타 통상적인 결합제를 전분 분산액 물질로 전체적으로 또는 부분적으로 대체함으로써 제조될 수 있다. 놀랍게도, 개시된 전분 분산액의 상당한 장점 중에는 우수한 유통 기한도 포함된다.

하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이지, 본 발명의 범주를 한정하고자 하는 것으로 여겨져서는 안된다. 모든 부 및 %는, 다른 언급이 없는 한, 중량 기준이다.

시험 방법

안정성 시험

압출된 물질의 샘플을 취해 상온까지 냉각시킨다. 1일 후에, 브룩필드(Brookfield) 점도를 측정한다. 7일 후, 브룩필드 점도를 다시 측정하고, 샘플이 겔화되는지 여부를 보기 위하여, 샘플을 나안으로 관찰한다. 안정한 분산액은, 압출 후 7일에 관찰시 겔을 형성하지 않는 것이다. 본 개시내용의 목적을 위하여, "겔을 형성하지 않는다"라는 표현은, 분산액이 겔화되지 않았다는 것, 즉 점성의 반고체인 젤리형 또는 보다 고체인 생성물인 물질을 형성하지 않았다는 것을 의미한다. 겔은 전형적으로 브룩필드 레오미터를 통한 측정치를 제공하지 않을 것이다. "매우 안정한 분산액"이란, 압출 후 7일에 측정된 점도가 압출 후 1일에 측정된 점도보다 높지 않은, 안정한 분산액이다.

브룩필드 점도

점도는, 브룩필드 RVT 점도계(브룩필드 엔지니어링 래보러토리즈 인코포레이티드(Brookfield Engineering Laboratories, Inc.; 미국 메사츄세츠주 스타우톤 소재)에서 입수가능함)를 사용하여 측정한다. 점도 측정을 위하여, 샘플을 적당히 큰 용기에 부어서, 벽과 축 사이의 가장자리 효과를 피한다. 점도는, 측정될 샘플의 특성에 따라 다양한 축 크기 및 회전 속도에 따라 25℃에서 측정한다.

입자 크기

입자 크기 측정은, 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 수득한다. 샘플을 물에 희석시키고, 그다음 400 메쉬 FORMVAR-코팅된 TEM 그리드로 흡입시킨다. 그리드는, 곧바로 액체 질소로 예비-냉각된 가탄(Gatan) 크리오-트랜스퍼 홀더에 놓고, 그다음 120keV에서 작동하는 FEI-필립스 테크나이 12 TEM(FEI-Philips Tecnai 12 TEM)에 주입한다. 크리오-트랜스퍼 홀더는, 샘플이 현미경으로 도입되면서, 샘플이 냉각된 상태 및 응축-부재로 유지되는 것을 가능하게 한다. 홀더를 -90℃로 가온시키고, 가탄 멀티스캔 CCD 카메라를 사용하여 디지털 방식으로 기록한다. 그다음, 입자 직경은 그림판(drawing tool)을 사용하여 수동으로 측정한다. 40개 입자의 최소치를 측정하고, 그다음 평균 입자 크기를 계산한다.

분자량

분자량 측정은, 크기 배제 크로마토그래피(SEC)를 사용하여 수득한다. 분자량 평균은 폴리에틸렌 옥사이드 기준물질에 의한 보정에 기초한다. 보정 곡선, log M 대 체류 시간은, 3차 다항식으로 피팅(fitting)한다. 컬럼 세트는 토소 하스(Toso Haas)로부터의 GMH6이고, 용매/용리액은 LiCl를 포함하는 N,N-다이메틸아세트아마이드이다. 진탕하면서, 샘플을 약 20시간 동안 100℃로 가열한다. 전분 용액의 농도는 공칭 % 고체를 기준으로 2.5 내지 3.0 mg/ml이 되도록 한다. SEC 주입 체적은 100 ㎕이고, 유속은 1 ml/분이다. 검출은 시차 굴절률을 사용하여 수행한다.

시트 광택

시트 광택은 75°의 입사각에서, 테크니다인 코포레이션(Technidyne Corporation)에서 입수가능한 테크니다인(Technidyne) T-480 기기를 사용하여 측정한다. 시트 광택은, 코팅지의 반짝거리거나 윤기가 흐르는 외관을 설명하는 특성이고, 시트의 표면 반사성의 척도이다.

시트 휘도

시트 휘도는, 데크니다인 코포레이션에서 입수가능한 테크니다인 T-480을 사용하여 측정한다. 휘도는 청색광에 대한 샘플의 반사 인자의 수치 값이다. 기기는 종이 조각을 45˚로 비추는 광원을 갖고, 샘플에 대해 수직인 0˚ 각도로부터 동일한 지점을 관찰하는 수신 광학 제품(receiving optic)을 갖는다.

건조 내흡상성(IGT)

이 시험은, 흡상(picking) 없이 잉크의 이동을 허용하는 종이면의 능력을 측정한다. 이 시험은 IGT 리프로시험 BV(IGT Reprotest BV)에서 시판중인, A2 타입 인쇄 시험기에서 수행한다. 코팅지 스트립에, 펜둘럼 드라이브 시스템을 사용하여 36N의 인쇄 압력으로 잉크묻은(inked) 알루미늄 디스크를 인쇄한다. 택-등급(Tack-rated) 잉크를 사용하고, 상기 잉크는 종이 강도에 따라 선택한다. 인쇄를 완료한 후, 코팅이 흡상을 보이기 시작하는 거리를 입체 현미경에서 표시한다. 그다음, 표시된 거리를 IGT 속도 곡선으로 전환하고, 해당 드라이브 곡선으로부터 속도(cm/s)를 읽어낸다. 높은 속도 값은 높은 건조 내흡상성과 상관 관계를 갖는다.

습윤 내흡상성(프루프바우(Prufbau))

이 시험은, 코팅 층의 약화 결과로서 흡상 없이 잉크 층 이전에 물 필름의 이동을 허용하는 종이면의 능력을 측정한다. 이 시험은 프루프바우 ΜΖII 인쇄 시험기(독일 멘헨)에서 수행된다. 코팅지 스트립에 잉크묻은 고무-커버된 디스크를 사용하여 300N의 인쇄압으로 인쇄한다. 택-등급 잉크를 사용하고, 상기 잉크는 종이의 강도 및 유형에 따라 선택한다. 각각의 종이 스트립에 대해, 예비습윤된 코팅 영역이 건조 영역 옆에 나란히 인쇄된다. 물 필름으로 약화된 코팅은 일반적으로 우수한 습윤 강도를 갖는 것에 비해 불량하게 흡상될 것이다. 보다 높은 휘도 값은 낮은 내흡상성 및 코팅 흡상의 증거인 보다 백색인 샘플과 상관 관계를 갖는다.

종이 조도

코팅지 표면의 조도는, 테스팅 머시너리 인코포레이티드(Testing Machinery Incorporated)에서 제조된 파커 프린트 서프 조도 측정기(메스머 앤드 부첼(Messmer & Buchel))의 모델 M-590으로 측정한다. 코팅지의 샘플 시트를 1,000kPa의 클램핑 압력으로 측정 헤드와 코르크-멜리넥스(cork-melinex) 압반 사이에 고정시킨다. 가압된 공기를 400kPa로 상기 기기에 공급하고, 측정 헤드와 코팅지 표면 사이의 공기의 누출을 측정한다. 높은 숫자는, 코팅지 표면의 조도가 큼을 나타낸다. 기기의 값을 표면 조도값으로 전환시키는 기기 계산이 수행된다.

다공성

종이 다공성은, 걸리 프리시즌 인스트루먼트(Gurley Precision Instrument)에 의해 제조된 걸리 다공성 시험기 모델 4200을 사용하여 측정한다. 이 방법은, 설정된 시간 동안 종이 시트를 통과하는 가압된 공기의 양을 시트의 다공도로 측정하기 위해서 사용된다. 종이의 가스 투과도는, 압력 구배하에서 가스 또는 증기가 시트 구조물을 통과하는 것을 허용하는 시트의 능력이다. 값은, 공기 10cm³을 잃는데 요구되는 시간의 길이로서 보고된다.

종이 강성

종이 강성은 걸리 강성 시험기 모델 4171을 사용하여 측정한다. 종이 샘플을 클램프에 부착하고, 종이 샘플이 베임 암(vane arm)을 지나서 이동한다. 이러한 베인이 방향을 바꿀 것이고, 이는 미가공 스케일(raw scale) 측정치를 나타내고, 이는 다시 걸리 강성 수로 전환된다. 걸리 강도 수의 평균 및 표준 편차.

물질

하기 물질이 실시예에 사용되었다.

전분 A: 천연 왁스형 옥수수 전분(펜포드 프로덕츠(Penford Products; 미국 아이오와주 세달 래피드 소제)에서 시판중인 더글라스 왁스형 펄 스타치(Douglas Waxy Pearl Starch)), 약 11% 수분을 함유하는 건조 분말.

전분 B: 천연 왁스형 옥수수 전분(테이트 앤드 라일(Tate and Lyle; 네델란드 쿠그 소재)에서 시판중인 메리제트(Merizet) 300), 약 11% 수분을 함유하는 건조 분말.

전분 C: 하이드록시에틸 에터 유도된 옥수수 전분(펜포드 프로덕츠(미국 아이오와주 세달 래피드 소재)에서 시판중인 PG 290), 약 11% 수분을 함유하는 건조 분말.

글리옥살: 가교결합제(에카 케미칼스 인코포레이티드(Eka Chemicals Inc.; 미국 조지아주 마리에타 소재)에서 시판중인 EKA RC 5650)(비교예에 사용됨).

카보네이트: 물내 90% < 2㎛의 입자 크기를 갖는 탄산칼슘의 분산액(플루에스-스타우퍼(Pluess-Stauffer, 스위스 오프트린겐 소재)에서 시판중인 하이드로카브(Hydrocarb, 등록상표) 90), 77% 고체.

점토: 물내 90 내지 96% < 2㎛의 입자 크기를 갖는 제 1 고 휘도 카올린 점토의 분산액(카민 퍼포먼스 머티리얼즈(KaMin Performance Materials, 미국 조지아주 매콘 소재)에서 시판중인 하이드라파인(Hydrafine, 등록상표) 90), 71% 고체.

라텍스: 카복실화 스티렌-부타다이엔 라텍스(더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company; 미국 미시건주 미들랜드 소재)에서 시판중인 CP 638NA), 물내 50% 고체.

증점제: 아크릴레이트계 유화액 공중합체(아크조 노벨(Akzo Nobel), 미국 일리노이주 시카고 소재)에서 시판중인 알코검(Alcogum) L229), 물내 25% 고체.

설비

압출기는 실험실 규모의 30mm 직경, 38mm 길이인 베너 앤드 플라이데러(Werner & Pfleiderer) 동시-회전 자정형 트윈 스크류 압출기로서, 12개의 배럴 섹션 및 9개의 온도 제어 대역에서 형성된 배럴을 갖는다. 압출기 스크류 디자인은 압출기의 초기에는 내용물을 반죽 및 전단하고 나중에는 압출기에서 분류 혼합을 제공하도록 설정된다. 상기 기기에는 액체 주입을 위해 기기의 길이에 따라 여러개의 주입점이 있다. 유닛은 500rpm의 최대 스크류 속도를 갖는 11.2-kW 모터를 갖는다.

압출 공정

전분을, K-트론 모델 KT-20 트윈 스크류 감량(loss in weight) 공급기를 사용하여 공급 포트(배럴 1)에 공급한다. 상기 물질을 배럴 3으로 수송하고, 여기서 물을 전분에 첨가하여 고체 함량을 목적하는 수준으로 낮춘다. 압출기의 중심 영역이 몇가지 단계의 밀접하게 딱 들어맞는 반죽 구성요소를 갖도록 고안되어 있고, 상기 반죽 구성요소는 전분/물 혼합물에 분산 및 분배 혼합 작용을 제공한다. 작업 조건에 따라, 각각의 배럴 섹션에 전기 가열기를 사용하여 이러한 작업 중 일부 동안 기기의 내용물을 가열시킨다. 배럴 8에서, 부가적인 물을 첨가하여 최종 고체 함량이 목적하는 배출 농도가 되도록 할 수 있다. 기기의 말단에서의 혼합 구성요소는, 공정의 종결시 안정한 분산액을 형성할 의도로 내용물에 추가 분배 혼합을 제공한다.

물 공급물을 평행한 2개의 ISCO 이중-펌프 포지티브 이동 펌프 유닛(모델 D-500 및 D-1000)에 공급한다. 조절기를 갖는 이중-펌프 구조는, 증류수의 큰 공급 용기로부터의 펌프의 연속적인 작업을 가능하게 한다. 물은 30mm 트윈 스크류 공급기를 위한 표준 주입 노즐을 갖는 압출기로 주입된다. 압력 게이지를 각각의 주입점에 위치시키고 주입 압력을 측정한다.

피드 전분을 감량 공급기로 시스템으로 칭량하여 넣는다. 공급기를 공급 포트 바로 위(공급 포트 위 3인치)에 위치시켜 공급기로부터 떨어지는 분말의 가루살포(dusting)를 최소화한다.

배압 조절기 밸브인 아 고 레귤레이터 인코포레이티드(A GO Regulator Inc.)의 모델 BP60_1A11QGL1S1E 조절기 밸브(0 내지 2000 psig)를 압출기 배출구에 부착한다. 밸브의 목적은 압출기의 배출 압력의 제어이다. 이 밸브는 또한, 시스템내 물이, 이것이 압출기의 말단에서 배출되기 전까지, 스팀으로 플래슁되지 않을 것을 보장한다. 상기 밸브를 사용하여 압출기내 충전 수준을 조절할 수 있다.

보다 구체적으로, 하기 공정이 사용된다.

1) 압출기의 배럴 1(제 1 공급물 포트)로 전분을 건조 공급한다.

2) 목적하는 담지 고체로 전분 고체를 줄이기 위하여 배럴 3에 물을 첨가한다.

3) 목적하는 압출물 고체로 전분 고체를 줄이기 위하여 배럴 8 또는 그 이후에 부가적인 물을 첨가한다.

4) 압출물을 수집하고 이것을 냉각시킨다.

유동이 확실히 자리를 잡으면, 목적하는 정도의 압출기 충전에 도달할 때까지, 배압 조절기 밸브를 서서히 닫는다. 배럴 3 및 8의 액체 주입점에서 게이지 압력을 관찰함으로서 압출기 충전도를 변화시킨다. 유동 경로에 제한이 있지 않는 한, 압출기는 부분적으로 충전된 방식으로 작동할 것이다. 밸브가 밀폐됨에 따라, 배럴 8 및 그다음 배럴 3에서의 압력 지표가 증가하며, 이는 압출기가 기기의 말단(배압 조절기 밸브 위치)으로부터 액체 펌프 시스템의 주입점까지 완전히 충전됨을 의미한다.

실시예 1

전분 A를 압출 절차를 사용하여 압출기에 공급한다. 세부 사항은 하기 표 1에 제공한다.

실시예 2(본 발명에 따른 실시양태가 아님; 비교예)

배럴 3에서의 압출기에 100중량부의 건조 전분에 기초하여 1부의 글리옥살 가교결합제를 첨가한 것을 제외하면, 실시예 1를 반복하였다. 세부사항 및 결과를 하기 표 1에 제공한다.

[표 1]

전분 분산액 결과: 습윤 전분 특성 및 안정성

실시예 3 및 실시예 4(본 발명의 실시양태가 아님; 비교예)

종이 코팅 배합물을, 건조시를 기준으로 100부의 총 안료에 기초하여 준비하였다. 구체적으로, 60부의 카보네이트 및 40부의 전술한 점토를 사용하여 안료 슬립을 제조하였다. 그다음, 6부의 라텍스 및 6부의 각각 압출된 표 1의 전분을 첨가하였다. 마지막으로, 0.2 부의 합성 증점제를 사용하여 코팅의 제조시 코팅의 낮은 전단 점도를 상승시켰다. 20%의 수산화나트륨 수용액을 사용하여 pH를 8.5로 조절하고, 물로 고체를 61.0%로 조정하였다.

코팅지는, 하기 공정에서 종이 코팅 배합물을 사용하여 제조하였다. 실험실용 벤치 블레이드 도포기(엔즈 테크니크 아게(Enz Technik AG, 스위스 지스윌 소재)에서 제조함)를 사용하여 제조된 배합물을 도포하였다. 블레이드 계량 압력을 8lbs/3300평방피트를 적용하도록 설정하고, 생성된 코팅은 적외선 및 공기 부상 건조법을 사용하여 건조시켜 4.5%의 목표 수분에 도달하였다. 생성된 샘플을 시트로 절단하고 그다음 150℉에서의 3개의 닙 및 800pli와 동등한 압력 하중을 사용하여 벨로이트 윌러 래보러토리 칼렌더 모델 753(Beloit Wheeler Laboratory Calender Model 753)(벨로이트 맨하탄(미국 미시간주 오트세고)에서 제조함)을 사용하여 랩 칼렌더링시켰다.

최종 코팅지의 특성들을 하기 표 2에 나타냈다.

[표 2]

물리적 시험 결과: 배합물 및 코팅지 특성(6부의 라텍스/6부의 전분)

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 전분 분산액은, 가교결합제의 존재하에서 압출된 비교예 2의 전분 분산액에 비해, 낮은 배합물 점도, 상당히 높은 시트 광택 및 낮은 조도를 제공한다. 동등한 휘도, 다공성, 강성, 습윤 흡상 및 건조 흡상 강도가 관찰되었다. 이러한 결과들은, 전분 분산액의 성능이 가교결합제를 사용하지 않아도 개선될 수 있음을 나타낸다.

Claims (14)

1. 피드(feed) 전분 및 수산기-보유 액체(hydroxylic liquid)를 압출기에 도입하는 단계; 및
   상기 압출기에서, 압출 후 7일에 관찰시 겔을 형성하지 않는 수산기-보유 액체내 전분 입자의 안정한 분산액을 제조하도록, 가교결합제의 부재하에 상기 전분 및 상기 액체에 전단력을 적용하는 단계
   를 포함하되,
   상기 분산액의 고체 함량이 15 중량% 이상인, 수산기-보유 액체내 전분 분산액의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산액이 압출 후 7일에 측정된 점도가 압출 후 1일에 측정된 점도보다 높지 않은 안정한 분산액인, 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산액내 전분 입자의 수 평균 입자 크기가 0.02㎛ 내지 0.4㎛인, 방법.
4. 삭제
5. [청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   제 1 항에 있어서,
   상기 분산액의 액체 중 적어도 일부를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   비-기계적 에너지(specific mechanical energy; SME)가 400 J/g 이상인, 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 압출기가 동시-회전 자정형 트윈 스크류 압출기(co-rotating, self wiping twin screw extruder)인, 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법이 계면활성제 없이 수행되는, 방법.
9. [청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   제 1 항에 있어서,
   상기 분산액내 전분 입자의 수 평균 입자 크기가 0.05㎛ 내지 0.2㎛인, 방법.
10. [청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

    제 1 항에 있어서,
    상기 분산액의 제조 후 7일째에 측정된 분산액의 브룩필드 점도가 1,000 mPa·s 이하인, 방법.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 전분 분산액.
12. 제 11 항의 전분 분산액을 포함하는 코팅 배합물.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 코팅 배합물이 종이 코팅 배합물인, 배합물.
14. 피드 전분 및 수성 액체를, 배출구에서 배압 조절기 장치에 연결되어 있는 압출기에 도입하는 단계;
    상기 압출기에서 가교결합제의 부재하에 상기 전분 및 상기 액체에 전단력을 적용하는 단계; 및
    상기 전분 입자의 안정한 수성 분산액을 회수하는 단계
    를 포함하되,
    상기 분산액의 고체 함량이 15 중량% 이상인, 수성 전분 분산액의 제조 방법.