KR100489663B1 - 수용성 무기질 투명 도료 조성물 - Google Patents

수용성 무기질 투명 도료 조성물 Download PDF

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Abstract

수용성 무기질 투명 도료 조성물이 개시되어 있다. 상기 도료 조성물은 리튬 실리케이트 (lithium silicate)를 40∼70 중량%, 수성 에멀젼 부틸아크릴/스티렌 공중합체(butyl acrylate/stylene copolymer)를 5∼20 중량%, 무기 분산체로 안정화된 무정형 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)를 10∼40 중량%, 첨가제로 소포제 0.1∼0.5 중량%, 안정제 0.1∼1.0 중량% 및 발수제 0.5∼5 중량%를 포함하여 이루어진다. 이러한 도료 조성물은 특히 콘크리트를 바탕으로 하는 소재에 도장되어 콘크리트 자체가 가지고 있는 조기 노후화 현상을 방지하고 노후된 콘크리트를 재보강할 수 있는 것이다. 이에 더하여, 불투수성 및 투기성에 따른 들뜸, 탈락 등의 문제와 백화현상 및 초기 내수성 문제가 해결되어 콘크리트 자체 박리 및 균열이 방지될 수 있다.

Description

수용성 무기질 투명 도료 조성물{Aqueous Inorganic Transparent Paint Composition}
본 발명은 수용성 무기질 투명 도료 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트 소재에 도장하여 조기 노후화를 방지하고 노후된 콘크리트를 재보강할 수 있는 수용성 무기질 투명 도료 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 건축구조물은 시멘트를 주성분으로 하는 철근 콘크리트를 바탕으로 이루어지며 시멘트, 모래, 자갈과 같은 골재에 물과 기타 첨가제를 넣어 제조하고 시간이 경과함에 따라 골재 주위를 시멘트 중의 반응성 성분이 수화 반응을 일으켜 이에 가해지는 각종 하중을 지탱할 수 있는 강도가 발휘된다. 또한 이때의 수화반응에 의하여 콘크리트는 pH 12∼13 정도의 강알칼리성을 가지게 되며 이러한 강알칼리성은 외부에서 가해지는 각종 하중을 주로 부담하게 되는 철근의 표면에 피막을 형성하여 장기간 녹이 슬지 않도록 하는 전형적인 복합구조물로 알려져 있다.
그러나 이러한 콘크리트 구조물은 크게 재료적 요인, 시공상의 요인, 환경적인 요인 등으로 조기 균열 발생과 들뜸이나 탈락 등과 같은 결함이 발생하여 콘크리트의 구조 내력 저하와 누수 등의 치명적인 결함으로 이어지고 있는 실정이다. 재료적 요인으로는 골재 자원의 고갈에 따른 다량의 해사 사용과 시멘트중의 알칼리의 과도한 증가를 들 수 있으며 시공상의 요인으로는 작업성 및 생산성 향상을 위하여 다량의 물을 사용함으로써 콘크리트 조직이 다공질화 되는 현상이 있으며, 환경적인 요인으로는 늘어나는 산업시설과 자동차로 인한 대기 중 이산화탄소 농도의 증가와 산성비, 결빙방지를 위한 염화칼슘 등의 물질 다량 사용 등을 들 수 있다.
이러한 여러 가지 요인으로 알칼리 골재반응, 동해, 염해 또는 중성화 등과 같은 노후화 현상이 조기에 발생하거나, 알칼리 성분이 수분과 반응하여 수화된 물질을 형성하고 이러한 재결정된 물질들이 소지 표면에서 백화현상을 일으켜 표면을 오염시키거나 이로 인한 콘크리트의 알칼리성 저하가 철근의 발청을 유발하여 콘크리트의 균열발생, 들뜸, 탈락 등의 결함이 나타나며 결과적으로 구조내력의 저하를 가져올 뿐 아니라 누수 등의 치명적인 결함을 나타낸다.
알칼리 골재 반응이란 시멘트 등으로부터 공급되어진 알칼리에 의해 골재중에 함유된 실리카 성분(SiO2)과 반응하여 팽창성 겔을 형성하고 이것은 콘크리트내에서 팽창, 흡수하여 크고 작은 미세한 균열을 발생시킨다. 이러한 골재반응에는 첫째, 알칼리 실리카 반응(alkali silica reaction)과 둘째, 알칼리 탄산염 반응(alkali carbonate reaction) 셋째, 알칼리 실리케이트 반응(alkali silicate reaction)이 있으며 이 중 알칼리 실리카 반응에 의한 균열반응이 가장 많은 것으로 알려져 있다.
콘크리트의 탄산화 또는 중성화란 최초 pH 12∼13 정도의 강 알칼리성인 콘크리트가 공기중의 이산화탄소와 반응하여 알칼리성을 잃는 현상을 말하는데, 콘크리트 공극중에 존재하는 알칼리 및 수산화칼슘이 콘크리트 표면의 모세관 공극을 통하여 내부로 확산된 공기중의 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 형성하고 이는 서서히 콘크리트를 중성화시키게 된다. 이렇게 중성화된 콘크리트는 철근의 방청능력을 저하하는 요인이 되고 발청으로 인한 팽창압에 의해 균열이 발생하고 철근을 보호하고 있는 콘크리트 표면피복이 탈락되어 내력 저하에 따른 구조물로서의 수명이 다하게 된다.
콘크리트 동해란, 다공질의 콘크리트 내부에 존재하는 수분이 계절의 변화에 따라 동결과 융해 과정을 반복하는 동안 생기는 팽창 압력으로 인하여 콘크리트 표면 및 내부에 미세한 균열이 발생하여 콘크리트의 탈락을 유발하는 현상을 말한다.
염해란, 해안 가까이에서 해수의 직접적인 침투 또는 해염 입자의 허용량을 초과하는 해사의 사용, 결빙 방지 대책으로 사용되는 염화칼슘이나 염화나트륨 등 다량의 염소이온의 존재가 원인이 되어 콘크리트 내부의 철근을 부식시켜 장기적으로 팽창압력에 의한 균열로 콘크리트 표면이 탈락하는 현상을 말한다.
상술한 콘크리트의 각종 조기 노후화 현상은 콘크리트 내부에 존재하는 알칼리 이온과 내.외부에서 유입되는 수분 및 염소이온이 상호 화학적으로 반응하여 결함이 진행되므로 외부로부터의 수분 침투를 막고, 콘크리트 내부의 수분을 외부로 빨리 배출시키며, 알칼리 이온과 염소이온 등과 같은 유해 이온을 흡착 고정하여 노후화 현상의 진행을 억제할 수 있는 재료를 사용하여 콘크리트 표면을 마감하면 조기 노후화 현상으로 인한 각종 결함을 방지할 수 있다.
종래에는 콘크리트의 마감재로 우레탄이나 에폭시계 또는 수성 에멀젼을 사용한 도료를 도장하였으나, 이런 유기계 도료는 콘크리트 표면에 치밀한 건조도막을 이루어 불투수, 투기성 피막을 형성하므로 일시적인 접착력은 발휘하지만 콘크리트의 수화반응과는 무관한 화학반응을 일으키고 콘크리트와 일체가 될 수 없고 특히 수분이 존재하는 환경에서는 충분한 접착력을 발휘할 수 없다. 또한 유기계 도료가 도장된 경우 콘크리트 내부에서 기화된 수분의 팽창에 의해 건조도막의 들뜸, 갈라짐, 부풀음 또는 탈락 등과 같은 결함이 발생하게 된다.
또한 콘크리트 마감 또는 강화제로 소디움 실리케이트(sodium silicate)를 이용한 무기질 코팅제가 알려져 있는데, 이는 콘크리트 표면에서 콘크리트 성분중 수산화 칼슘등과의 반응으로 콘크리트 소재와 일체가 되고, 소디움 실리케이트 자체의 강알칼리성으로 중성화된 콘크리트를 알칼리성으로 전환시켜 강화시켜 줄 뿐 아니라, 비교적 다른 알칼리 실리케이트에 비하여 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있지만, 소디움 실리케이트의 경우, 반응이 콘크리트 표면에서 비교적 빠르게 일어나 균일한 반응을 하지 못하고 미반응 콘크리트 부분을 표면에 남기고, 물과 접촉시 수화된 물질을 형성하여 콘크리트 표면에 백화현상을 야기하여 오염성에 문제를 나타낼 뿐 아니라, 소디움 실리케이트의 특성상 초기 내수성에 많은 문제점을 나타내고 있다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 콘크리트를 바탕으로 하는 소재에 도장하여 콘크리트 자체가 가지고 있는 조기 노후화 현상을 방지하고 노후된 콘크리트를 재보강할 수 있으며, 기존의 유기계 도료에서 문제시 되고 있는 불투수성 및 투기성에 따른 들뜸, 탈락등의 문제와 소디움 실리케이트를 사용한 코팅제에서 제기되는 백화현상 및 초기 내수성 문제를 해결할 수 있는 수용성 무기질 투명 도료 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 건축 구조물의 근간이 되는 콘크리트의 노후화 현상의 발생을 방지하고 이미 노후화된 콘크리트를 보강하여 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 내후성, 내마모성, 내약품성 등의 성능을 가지는 코팅재를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 리튬 실리케이트 (lithium silicate)를 40∼70 중량%, 수성 에멀젼 부틸아크릴/스티렌 공중합체(butyl acrylate/stylene copolymer)를 5∼20 중량%, 무기 분산체로 안정화된 무정형 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)를 10∼40 중량%, 첨가제로 소포제 0.1∼0.5 중량%, 안정제 0.1∼1.0 중량% 및 발수제 0.5∼5 중량%를 포함하는 수용성 무기질 투명 도료 조성물을 제공한다.
특히, 상기 리튬 실리케이트는 실리카(SiO2) 성분과 리튬 옥사이드(Li2O) 성분의 몰비가 3∼3.5/1 범위이고 pH가 10∼11 범위인 것이, 상기 무정형 콜로이달 실리카는 소디움(sodium)이온이나 암모늄(ammonium)이온으로 안정화되고 평균입자크기가 5∼25 (㎚)인 것이 바람직하게 적용된다.
상기한 본 발명의 목적은 리튬-소디움 실리케이트 (lithium-sodium silicate)를 40∼70 중량%, 수성 에멀젼 부틸아크릴/스티렌 공중합체(Butyl acrylate/Stylene copolymer)를 5∼20 중량%, 무기 분산체로 안정화된 무정형 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)를 10∼40 중량%, 첨가제로 소포제 0.1∼0.5 중량%, 안정제 0.1∼1.0 중량% 및 발수제 0.5∼5 중량%를 포함하는 수용성 무기질 투명 도료 조성물에 의해서도 달성된다.
이 경우, 상기 리튬-소디움 실리케이트는 실리카(SiO2) 성분, 리튬 옥사이드(Li2O) 성분 및 소디움 옥사이드(Na2O) 성분의 중량비가 17.7∼22.2 : 1.7∼1.9 1.1∼1.4 범위이고 pH가 12.5∼13.5 범위인 것이, 또한 상기 무정형 콜로이달 실리카는 소디움(sodium)이온이나 암모늄(ammonium)이온으로 안정화되고 평균입자크기가 5∼25㎚인 것이 바람직하게 적용된다.
이러한 본 발명은 리튬 실리케이트 또는 리튬-소디움 실리케이트를 주바인더로 사용하여 시멘트를 주성분으로 하는 콘크리트라 고탄산 석회의 몰탈소지면, P.C (precast cencrete) 등과 같은 시멘트 구조물의 표면 깊숙이 침투하도록 된 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용한 원료들에 대하여 자세하게 살펴보면, 리튬 실리케이트(lithium silicate)는 실리카(SiO2) 성분과 리튬 옥사이드(Li2O) 성분의 몰비가 3.0∼3.5, pH 10∼11, 리튬-소디움 실리케이트(lithium-sodium silicate)는 실리카(SiO2) 성분과 리튬 옥사이드(Li2O) 성분 및 소디움 옥사이드(Na2O)성분의 중량비가 17.7∼22.2/1.7∼1.9/1.1∼1.4가 되도록 제조된 것이며 pH 12.5∼13.5 이다.
보조 바인더로 사용한 수성 에멀젼 수지로는 실리케이트에 사용 가능하도록 고안된 부틸아크릴/스티렌 공중합체로 평균입자 사이즈가 0.15±0.1㎛, 고형분 50±10%, 최저 도막형성온도(Minimum Film Forming Temperature)가 약 3±2℃인 에멀젼 수지가 바람직하게 사용된다.
무기 분산체로 사용하는 무정형 콜로이달 실리카(colloidal silica)는 소디움(sodium)이온이나 암모늄(ammonium)이온으로 안정화되고 평균입자크기가 5∼25 ㎚인 것이 사용된다.
본 발명에 따라 제조되는 수용성 무기질 투명 도료는 이하의 실시예로서 더욱 상세히 설명하는바, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되는 것은 아님을 밝혀 둔다. 하기 실시예에서 함량은 중량부를 의미한다.
실시예 1
리튬 실리케이트 용액 45g, 아크릴 에멀젼(Acronal S 559, BASF) 5g, 무기 분산체인 콜로이달 실리카(Ludox HS-40, DuPont) 40g, 첨가제로 발수제(Phobe 1400, Tego) 4.0g, 소포제(Foamex 810, Tego) 0.5g, 안정제(Betolin Quart 25) 0.5g을 사용하여 수용성 무기질 투명 도료 조성물을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 리튬 실리케이트 용액 45g 대신 리튬-소디움 실리케이트 용액 45g을 사용하여 수용성 무기질 투명 도료 조성물을 제조하였다.
실시예 3
리튬-소디움 실리케이트 용액 60g, 아크릴 에멀젼(Acronal S 559, BASF) 10g, 무기 분산체인 콜로이달 실리카(Ludox HS-40, DuPont) 27g, 첨가제로 발수제(Phobe 1400, Tego) 2.0g, 소포제(Foamex 810, Tego) 0.5g, 안정제(Betolin Quart 25) 0.5g을 사용하여 수용성 무기질 투명 도료 조성물을 제조하였다.
실시예 4
리튬-소디움 실리케이트 용액 60g, 아크릴 에멀젼(Acronal S 559, BASF) 10g, 무기 분산체인 콜로이달 실리카(Ludox AS, DuPont) 27g, 첨가제로 발수제(Phobe 1400, Tego) 2.0g, 소포제(Foamex 810, Tego) 0.5g, 안정제(Betolin Quart 25) 0.5g을 사용하여 수용성 무기질 투명 도료 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 1∼4에서 제조된 수용성 무기질 투명 도료 조성물의 물성을 비교하기 위하여 각각의 도료를 콘크리트 시편에 붓이나 로라등을 이용하여 2회 도장하고 상온에서 2일간 건조한 후 물성 시험을 수행하였으며, 그 결과는 다음 표 1에 나타난 바와 같다. 표 1에서 우수한 경우는 ◎으로 표시하였고 양호한 경우는 ○으로 표시하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
외 관 ◎ ◎ ◎ ◎
내 수 성 ◎ ◎ ○ ○
내세척성 ○ ◎ ◎ ◎
부착성(kgf/㎠) 24.5 26.7 28.5 27.4
내화학성15% 황산10% 염산 5% 아세트산10% 수산화나트륨 ◎◎◎○ ◎◎◎○ ◎◎◎○ ◎◎◎○
상기 표 1에서, 내수성은 상온 내수 침적 방법으로 시험하였고, 내세척성은 KS M 5000의 시험방법 3351에 준하여 시험하였으며, 부착성은 Pull-off strength 시험방법으로 시험하였고, 내화학성은 KS M 5000의 시험방법 3411에 준하여 시험하였다. 시험 결과, 본 발명에 따른 수용성 투명 도료 조성물을 적용하여 제조된 도막은 내후성, 내마모성, 내약품성 등의 성능이 우수한 것임을 확인할 수 있다.
이러한 조성물을 시멘트를 주성분으로 하는 구조물의 표면에 적용할 경우, 구조물의 표면 깊숙히 침투하여 콘크리트 내의 유리석회 복합물과 반응하고 안정하고 균일한 밀도의 불용성 규산염 구조를 이루게 된다. 이에 따라 알칼리 실리카 골재반응(alkali-silica reaction) 과 중성화(탄산화) 현상에 따른 자연적인 팽창성 균열로 인한 콘크리트의 표면 들뜸 및 탈락 현상과 같은 조기 노후화 현상을 방지할 수 있는 것이다.
이상과 같은 본 발명은 특히 콘크리트를 바탕으로 하는 소재에 도장하여 콘크리트 자체가 가지고 있는 조기 노후화 현상을 방지하고 노후된 콘크리트를 재보강할 수 있는 것이다.
본 발명에서는 기존의 유기계 도료에서 문제시 되고 있는 불투수성 및 투기성에 따른 들뜸, 탈락등의 문제와 소디움실리케이트를 사용한 코팅제에서 제기되는 백화현상 및 초기 내수성 문제를 해결하기 위하여 리튬 실리케이트를 사용하여 수용성 무기 투명 도료 조성물을 제고하고 있다. 이렇게 함으로써 통상적으로 알칼리 실리케이트가 가지고 있는 통기성에 따른 도막 들뜸이나 박리문제를 해결할 수 있게 되었다. 이에 더하여 본 발명의 도료 조성물은 콘크리트 내부 깊숙이 침투하여 콘크리트와 반응을 통하여 소재와의 일체를 이루어 콘크리트 자체 박리 및 균열을 방지하고 수화된 물질을 형성하지 않게 함으로써 소디움실리케이트에서 발생되는 백화현상 등의 문제를 극복할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 리튬-소디움 실리케이트 (lithium-sodium silicate)를 40∼70 중량%, 수성 에멀젼 부틸아크릴/스티렌 공중합체(Butyl acrylate/Stylene copolymer)를 5∼20 중량%, 무기 분산체로 안정화된 무정형 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)를 10∼40 중량%, 첨가제로 소포제 0.1∼0.5 중량%, 안정제 0.1∼1.0 중량% 및 발수제 0.5∼5 중량%를 포함하는 수용성 무기질 투명 도료 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 리튬-소디움 실리케이트의 pH가 12.5~13.5인 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 투명도료.
  7. 제5항에 있어서, 상기 무정형 콜로이달 실리카는 소디움(sodium)이온 및 암모늄(ammonium)이온중 어느 하나로 안정화되고 평균입자크기가 5∼25㎚인 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 투명 도료 조성물.
  8. 제5항에 있어서, 상기 도료 조성물은 시멘트를 주성분으로 하는 콘크리트, 고탄산 석회의 몰탈 소지면 또는 PC(precast concrete)의 표면에 적용하기 위한 것임을 특징으로 하는 수용성 무기질 투명 도료 조성물.
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