상기한 목적을 달성하기 위하여, 무기질 실리케이트 바인더, 옥, 제올라이트, 나노입자의 은이온 및 기능성 첨가제를 함유하는 친환경적 도료 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명에서 사용한 무기질 실리케이트 바인더는 시멘트, 콘크리트 반응 잔 유물과 조기 반응시켜 유해 물질을 차단시키고, 통기성이 우수하고, 습기 흡수 및 방출을 상대적으로 원활하게 해주어 실내의 습도조절 능력을 높여주며, 원적외선을 방사하여 신진대사를 촉진시키고 피로회복을 빠르게 해주고, 냄새, 암모니아가스 흡착 탈취능력을 부여하여 탈취효과가 우수하며, 나노크기의 은 이온(미세한 나노 크기의 은 이온)의 향균 및 살균 효과가 우수하고, 인체에 무해하며, 화재의 위험이 전혀 없는 친환경 소재이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 무기질 실리케이트 바인더 15∼30 중량%, 옥 분말 3∼13 중량%, 제올라이트 3∼13 중량%, 나노입자의 은이온 0.1∼1.0 중량%, 이온교환수 41∼70 중량%, 분산제 0.1∼1.0 중량%, 증점제 0.1∼1.0 중량%, 점탄성 증점제 0.1∼1.0 중량%, 소포제 0.06∼0.7 중량%, 백색안료 3∼10 중량%, 초기도막형성조제 2∼10 중량% 및 동결방지제 0.1∼1.0 중량%를 함유하는 도료 조성물에 관한 것이다.
상기 무기질 실리케이트 바인더(결합재)는 통상적으로 2액형 경화방식의 자연건조형이 주로 사용되어 왔으나 본 발명에서 사용하는 바인더는 1액형이 가능하도록 설계된 바인더로서 주로 독일의 웰러사에서 제조한 Potas를 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 15∼30 중량%가 적당하다. 상기 무기질 실리케이트 바인더의 함량이 15 중량% 미만이면 수지 고형분이 낮아져서 반응성이 떨어지며 또한 콘크리트 등에 잔존하는 미반응물질과의 결합도가 떨어지므로 차단효과 및 표면강도 보강이 떨어지는 문제가 있으며, 30 중량%를 초과하면 도료의 유동성 조절이 어렵고, 요변성이 심하며 도장작업성 및 침투력이 저하되므로서 도막의 필름이 형성되어 통기성을 저해하는 문제가 있다.
본 발명에서는 무기 항균, 살균제로서 나노입자의 은이온(nano silver)을 사용하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.1∼1.0 중량%가 적당하다. 상기 나노입자의 은이온의 함량이 0.1 중량% 미만이면 항균 및 살균 효과가 떨어지므로 초기의 설계성능 수준을 얻을 수 없으며, 1.0 중량%를 초과하면 색상이 어둡게 변할 수 있고, 또한 고가이므로 원가를 상승시켜 소비자의 부담이 증가하는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 옥 분말은 인체에 극히 필요한 칼슘과 마그네슘이 포함되어있는 천연적인 원적외선 방사체로서, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 3∼13 중량%가 적당하다. 상기 옥 분말의 함량이 3 중량% 미만이면 원적외선방사효과가 떨어지는 문제가 있으며, 13 중량%를 초과하면 가격상승 및 유동성조절에 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 제올라이트는 천연에서 산출되는 제올라이트 중 클리노프틸로라이트(Clinoptilolite)를 주성분으로 하며 Å 크기의 세공을 가진 비표면적이 30-50 ㎡/g에 달하는 다공성의 특성을 갖고 있으며 표면이 음전하를 띠고 있다. 이러한 세공에 의하여 중금속 흡착, 냄새 탈취 및 습도조절 특성이 있어 시멘트 독의 중화, 유해균 억제 및 실내습도의 조절능력이 있다. 상기 제올라이트의 함량은 조성물 총 중량에 대하여 3∼13 중량%가 적당하며, 상기 제올라이트의 함량이 3 중량% 미만이면 흡착 효과 등 기능성이 떨어지는 문제가 있고, 13 중량%를 초과하면 색상이 어둡게 되어 밝은 색상을 낼 수 있는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 이온교환수의 함량은 조성물 총 중량에 대하여 41~70 중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 분산제는 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용할 수 있으나, 특히 변형된 포스포늄산염(modified phosphonic acid salt)을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.1∼1.0 중량%가 적당하다. 상기 분산제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 분산시 원하는 입도로 안료를 분산시키기 어려운 문제가 있으며, 1.0 중량%를 초과하면 분산성은 좋아질 수 있으나 제품내부에 기포가 많이 발생되어 잔존하며, 내수성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 증점제는 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용할 수 있으나, 특히 헥실에틸셀룰로오스를 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.1∼1.0 중량%가 적당하다. 상기 증점제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 도료의 증점 효과 및 도장시 새깅(Sagging) 현상을 제어하기 어려운 문제가 있으며, 1.0 중량%를 초과하면 도료의 급격한 점도 증가로 도장시 도료의 무화가 어려워지며 도막의 평활성을 저해하는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 점탄성 증점제는 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용할 수 있으나, 특히 소수성 변형된 산화에틸렌 우레탄(hydrophobically modified ethylene oxide urethane)을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.1∼1.0 중량%가 적당하다. 상기 점탄성 증점제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 도료의 유동성이 떨어지고, 도장시 레벨링(levelling)이 떨어져 평활한 도장면을 얻을 수 없으며, 1.0 중량%를 초과하면 저장시 점도가 상승되어 저장안정성 이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 소포제는 도료 제조시 또는 도장시 기포를 제거하여 저장성이나 작업성에 영향을 주는 것으로서, 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용할 수 있으나, 특히 변형된 폴리실록산계를 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 0.06∼0.7 중량%가 적당하다. 상기 소포제의 함량이 0.06 중량% 미만이면 소포효과가 적어 안료분산 및 도료 제조시 많은 기포가 발생되어 쉽게 꺼지지 않는 문제가 있으며, 0.7 중량%를 초과하면 소포효과는 향상되나 도막에 분화구가 발생될 수 있어 외관상 불량하며, 가격상승의 요인이 됨은 물론 도막의 부착성을 저해하는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 안료는 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용할 수 있으나, 이산화티탄을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 3∼10 중량%가 적당하다. 상기 안료의 함량이 3 중량% 미만이면 은폐력 저하 및 도막경도, 건조성 저하 등을 초래하게 되고, 10 중량%를 초과하면 소지의 침투력을 저하시키고, 바탕의 통기성을 약화시키는 원인이 된다.
본 발명에서 사용하는 초기 도막형성조제는 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용할 수 있으나, 아크릴 에멀젼을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2~10 중량%가 적당하다. 상기 도막형성조제의 함량이 2 중량% 미만이면 조기에 도막형성이 어려워 건조가 지연되며, 치밀하게 도막이 형성되지 못하는 문제가 있으며, 10 중량%를 초과하면 유기물 함량이 증가하는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 동결방지제는 통상적으로 당업계에 알려진 것을 사용 할 수 있으나, 모노에틸렌 글리콜(MEG)을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.1∼1.0 중량%가 적당하다. 상기 동결방지제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 동절기 저장안정성이 불량한 문제가 있으며, 1.0 중량%를 초과하면 휘발성 물질이 증가되는 문제가 있다.
본 발명에 의한 도료 조성물을 제조하는 과정을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
1) 이온교환수 20∼30 중량%에 분산제 0.1∼1.0 중량%를 투입한 후 500rpm에서 2분간 교반한다.
2) 상기 용액을 교반하면서, 상기 용액에 증점제 0.1∼1.0 중량%, 점탄성 증점제 0.1∼1.0 중량% 및 소포제 0.05∼0.5 중량%를 차례로 투입한 다음 500-1000rpm에서 5분간 교반한다.
3) 상기 혼합 용액을 서서히 교반하면서 백색안료 3∼10 중량%, 제올라이트 3∼13 중량% 및 옥 분말 3∼13 중량%를 투입하고 습윤상태를 감안하여 이온교환수 1~5 중량%를 투입하여 밀베이스 점도를 25℃에서 100-120KU로 조절한 다음 800-1200rpm에서 20-30분간 분산시킨다. 분산된 상태를 입도계로 검사하여 6NS이상이어야 한다.
4) 상기 혼합 용액에 초기도막형성조제 2∼10 중량% 및 동결방지제 0.1∼1.0 중량%를 투입하여 500-700rpm으로 5분간 혼합한 후 무기질 실리케이트 바인더 15∼30 중량%, 나노입자의 은이온 0.1∼1.0 중량% 및 소포제 0.01∼0.2 중량%를 투입하여 500-700rpm으로 5분간 혼합한다.
5) 상기 혼합 용액을 300-500rpm에서 서서히 교반하면서 이온교환수 20∼35 중량%를 투입하여 마감한다.
상기와 같은 방법으로 제조한 도료 조성물은 아래와 같은 특성을 가진다.
1) 제품의 생산이 용이하다.
2) 적절한 유동성 형성이 가능하다.
3) 바인더 및 안료의 재응집에 관한 안정성이 우수하다.
4) 저장안정성이 우수하다.
5) 침전현상이 적고 재교반이 용이하다.
6) 작업성 (스프레이, 롤러, 붓도장)이 우수하다.
7) 지속적인 통기성을 가진다.
8) 소지면 침투성이 우수하고 강력한 부착력 및 표면 경도가 우수하다.
9) 내향균, 살균성이 우수하다.
10) 원적외선을 방출한다.
11) 탈취성능이 우수하다.
본 발명에 의한 도료 조성물을 콘크리트 표면에 도장하였을 때 경화반응 메카니즘은 다음과 같다:
1) 콘크리트 구성요소와의 화학적인 경화반응
① 석회(수산화칼슘)과의 반응
K2O*nSiO2 + Ca(OH)2 →CaO*SiO2 +(n-1)SiO2 +2KOH + CO2
→K2CO3
② 석영과의 반응(입자의 표면에서 반응이 이루어짐)
K2O*nSiO2 + mSiO2 →K2O +(m+n)SiO2
2) 공기 중 CO2와의 화학적인 경화반응
① 불완전한 규산화 →몰비의 증가 →점도 상승
2K2O*nSiO2 + CO2 →K2O*(2n-1)SiO2 +K2CO
3 +SiO2
② 완전한 규산화 →실리카겔의 불용성
K2O*nSiO2 + CO2 →nSiO2 +K2CO3
3) 건조 또는 동결에 의한 물리적인 수분제거
K2O*nSiO2 + xH2O →K2O*nSiO2 +(x-y)H2O
고농도 ----> 고점도 -----> 겔링(Gelling)
상기와 같이 일단 경화된 실리케이트 도막의 이점은 순수 아크릴에멀젼 도료에서 얻을 수 없는 소지면과의 물리, 화학적인 반응에 의한 강한 결합과 우수한 통기성에 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명 을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
이온교환수 28 중량%에 분산제인 변형된 포스포늄산염(웰러, 독일) 0.5 중량%를 투입한 후 500rpm에서 2분간 교반하였다. 상기 용액을 교반하면서, 상기 용액에 증점제인 나트라졸 헥실에틸셀룰로오스 (Hercules, 미국) 0.5 중량%, 점탄성 증점제인 소수성 변형된 산화에틸렌 우레탄(Rohm & Haas, 미국) 0.2 중량% 및 소포제인 변형된 폴리실록산(Byk chemie, 독일) 0.2 중량%를 차례로 투입한 다음 800rpm에서 5분간 교반하였다. 상기 혼합 용액을 교반하면서 백색안료인 이산화티탄(TiO2 R-902; Dupont, 미국) 7 중량%, 탈취필러인 제올라이트(왕표화학) 7 중량% 및 기능성 필러인 옥 분말(왕표화학) 6.5 중량%를 투입하고 점도를 100-120KU로 조절한 다음 1100rpm에서 30분간 분산시켰다.
상기 혼합 용액에 초기 도막형성조제인 아크릴 에멀젼 (대원 polymer, 한국) 5 중량% 및 동결방지제인 모노에틸렌 글리콜(MEG; 호남석유) 0.3 중량%를 투입하여 600rpm으로 5분간 혼합한 후, 여기에 무기질 실리케이트 바인더(웰러, 독일) 23 중량%, 무기 항균, 살균제인 나노입자의 은이온 0.2 중량% 및 소포제인 변형된 폴리실록산(Byk chemie, 독일) 0.1 중량%를 투입하여 600rpm으로 5분간 혼합하였다.
상기 혼합 용액을 300rpm에서 서서히 교반하면서 이온교환수 21 중량%를 투입하여 본 발명에 따른 도료 조성물을 완성한 후 하기의 시험 규격에 따라 검사하였다.
[시험예 1]
원사직물시험연구원의 시험(SHAKE FLASK METHOD, KS M 0146-2003)을 통해 상기 실시예 1에서 제조한 도료 조성물의 살균력을 알아보았다.
균주 1(Staphylococcus aureus ATCC 6538) 및 균주 2(Escherichia coli ATCC 25922)를 각각 (1.3±0.1)×105/㎖ 및 (1.5±0.1)×105/㎖ 농도로 접종한 후 비이온계면활성제로 TWEEN 80을 0.05 중량%를 첨가하고 중화용액으로 인산완충용액(pH 7.0±0.2)를 사용하여 37±1℃에서 2시간, 4시간 및 24시간 진탕 배양한 후 균수를 측정하였으며(진탕횟수 120회/분), 그 결과를 하기 표 1, 도 1 및 도 2에 나타내었다(세균수/㎖).
|
BLANK |
실시예 1 |
세균감소율(%) |
균주 1 |
초기 균수 |
1.3×105
|
1.3×105
|
- |
2시간 후 |
1.6×105
|
<10 |
99.9 |
4시간 후 |
2.3×105
|
<10 |
99.9 |
24시간 후 |
6.1×106
|
<10 |
99.9 |
균주 2 |
초기 균수 |
1.5×105
|
1.5×105
|
- |
2시간 후 |
1.9×105
|
<10 |
99.9 |
4시간 후 |
3.1×105
|
<10 |
99.9 |
24시간 후 |
7.3×106
|
<10 |
99.9 |
상기 결과들로부터, 본 발명에 의한 도료 조성물의 살균력이 우수함을 알 수 있었다.
[시험예 2]
가스검지관법을 이용하여 상기 실시예 1에서 제조한 도료 조성물의 탈취율을 측정하였다.
실시예 1에서 제조한 도료 조성물을 사용하여 크기 15×5 ㎠도포하고 72시간 건조시킨 시험체를 2ℓ 용기에 넣고 포름알데히드 1㎕ 주입한 다음 밀폐시키고, 5분, 15분, 30분 및 60분 경과한 후 가스검지관법을 사용하여 용기에 남아있는 포름알데히드의 농도를 측정하였으며, 이를 하기 수학식 1로 산출하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
탈취율(%) = [(Cb-Cs)/Cb]×100
상기에서 Cb는 BLANK이고, Cs는 실시예 1에서 제조한 도료 조성물이다.
시간 |
5분 경과 |
15분 경과 |
30분 경과 |
60분 경과 |
탈취율(%) |
56.3 |
60.0 |
65.0 |
72.2 |
[시험예 3] 원적외선 방출량 시험(한국건자재 시험연구원)
상기 실시예 1에서 제조한 도료 조성물의 원적외선 방출량을 한국건자재 시험연구원에 의뢰하여 측정하였으며(시험방법 : KICM-FIR-1005), 그 결과를 하기 표 3, 도 3 및 도 4에 나타내었다. 하기 결과는 FT-IR 스펙트로미터를 이용하여 흑체(black body)와 대비하여 측정한 결과이다.
시험항목 |
시험결과 |
원적외선 방출량 (40℃) |
방사율(5∼20v) |
0.908 |
방사에너지(W/m2) |
3.66×102
|
[시험예 4]
상기 실시예 1에서 제조한 도료 조성물의 휘발성 유기화합물 함량 및 유해중 금속 함량 분석을 한국건자재 시험연구원에 의뢰하여 측정하였으며(시험방법 : KICM-FIR-1005), 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
시 험 항 목 |
시험결과 |
시험방법 |
휘발성 유기 화합물(VOCs) [단위: g/L] |
아세톤 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
ISO 11890-2 |
메탄올 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
메틸에틸케톤 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
에탄올 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
벤젠 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
2-프로판올 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
메틸이소부틸케톤 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
이소부탄올 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
톨루엔 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
아세트산부틸 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
1-부틸알코올 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
셀로솔브 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
o-자이렌 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
m-자이렌 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
p-자이렌 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
스티렌 |
검출안됨(검출한계 0.005) |
부틸셀로솔브 |
검출안됨(검출한계 0.01) |
기타 VOCs |
검출안됨(검출한계 0.005) |
납(Pb) [단위: mg/kg] |
검출안됨(검출한계 5) |
ISO 3856-1 |
카드뮴(Cd) [단위: mg/kg] |
검출안됨(검출한계 2) |
ISO 3856-4 |
수은(Hg) [단위: mg/kg] |
검출안됨(검출한계 1) |
ISO 3856-7 |
6가 크롬(Cr6+) [단위: mg/kg] |
검출안됨(검출한계 1) |
ISO 3856-5 |
상기 표 4의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 제조한 도료 조성물에서는 유해물질이 검출되지 않았다.