KR100680750B1 - 조형용 경량 점토 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조형용 경량 점토 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로, 5 내지 30중량%의 수용성 고분자 수지, 1 내지 30중량%의 고분자 중공미세구, 0.1중량% 내지 5중량%의 발수제, 0.1 내지 30중량%의 글리세린, 0.01 내지 10중량%의 붕사 및 20 내지 80중량%의 물을 포함하며, 상기 고분자 중공미세구는 비중이 0.01 내지 0.06이고, 직경이 1 내지 100㎛이며 후발포 특성을 갖는 고분자 중공미세구로 이루어진 조형용 경량 점토 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 조형용 경량 점토 조성물은 종래의 점토에 비하여 비중이 낮으며, 탄성 및 내구성이 좋으며, 내수성이 뛰어나고 또한 발포 특성을 갖는 고분자 중공 미세구를 사용함으로써 기존의 점토에서 볼 수 없었던 표면 발포 특성을 갖는 장점이 있다.

경량점토, 중공미세구, 발포, 내수성

Description

조형용 경량 점토 조성물{Composition of lighweight modeling material}

본 발명은 수공예 등에 사용되는 조형용 경량 점토 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 수용성 고분자 수지 수용액, 발수제 및 비중이 보다 작고, 발포 특성을 갖는 고분자 중공미세구를 사용하여, 가벼울 뿐만 아니라 탄성이 우수하고 표면 발포 특성을 가지며, 내수력, 내구력 및 보존력이 향상된 조형용 경량 점토 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 점토는 유연성이 있어 손으로 원하는 모양으로 쉽게 변형이 가능하여 다양한 조형물의 제조가 용이하고, 또한 자연건조 등에 의해 건조시키면 점토가 경화되어 제작된 조형물들이 장시간동안 그 형상이 유지되는 것을 특징으로 하는 수공예용으로 많이 사용되고 있다.

초기의 점토는 자연으로부터 채취한 고비중의 무기계 물질과 물로 구성되어 있어 점토자체가 무거우며 건조된 조형물 역시 무겁다는 단점이 있다. 또한 무기물이 수분을 함유하는 능력이 작아 점토로부터 빠르게 물이 증발함으로써 작업시간이 짧고, 건조 후 무기물 입자들의 결합을 유지시킬 수 있는 수분의 감소로 조형물의 표면이 갈라지거나 쉽게 부스러지는 등의 문제점을 가지고 있다.

상기 점토의 문제점을 보완하기 위하여 충전물로 무기계 물질이 아닌 전분과 같은 수용성 천연 고분자나 그 유도체를 사용하여 인공적으로 점토를 제조하였다. 이들 점토는 고분자 물질을 사용하여 점토의 무게를 줄였으며 충전물이 수용성 물질로 무기계 점토의 거친 표면과는 달리 감촉이 부드럽다는 특징을 가지고 있다. 그러나 전분을 이용하여 만든 점토는 건조시 점토의 부피가 크게 줄어들어 조형물에 금이 가고 심하게는 쪼개지며 부스러지는 경향이 있으며 점토에 채색이 힘들고 건조중에 변색되는 현상이 발생되며 사용자의 손에 찌꺼기가 남으며, 더욱이 기존의 건조된 조형물에 건조되지 않은 점토가 붙지 않으며 조각 되지 않는다. 또한 무기계 점토에 비해 전분 점토는 크게 경량화되었지만 여전히 무겁다는 문제점을 가지고 있다.

상술한 전통적인 점토의 문제점을 개선하기 위하여 한국특허출원 제2001-47289호에서는 중공형태의 폴리아크릴로니트릴 분말을 사용하였으며, 한국특허출원 제2001-77539호에서는 중공 형태의 마이크로스피어 분말을 사용하였다. 한편, 미국 특허 5,506,280호 및 제6,359,057호는 중공미세구, 폴리비닐알코올, 겔화제, 물 등으로 구성된 경량 점토를 제안하였다. 경량 점토는 저비중의 고분자 중공미세구를 충전제로 사용하여 점토를 경량화하였으며, 충전제의 접합을 위해 수용성 고분자인 폴리비닐알코올 수용액에 첨가하여 반죽하였으며, 폴리비닐알코올 수지 수용액의 점도를 조절하기 위해 점증제로 붕산을 첨가하여 경량점토를 제조하였다. 이와 같이 제조된 점토는 점토 부피의 대부분을 차지하는 고분자 중공미세구의 비중이 작아 가볍고, 유연성이 탁월하며, 수분의 증발에 의한 조형물의 수축되는 정도가 아 주 미미하다는 특성 및 어느 정도의 탄성을 가지고 있다.

하지만 상기의 특허는 건조된 조형물이 외력에 의해 쉽게 부러지는 등의 외적 압력에 저항할 수 있는 강도가 작았으며, 어느 정도의 탄성을 가지고 있지만 공처럼 탄성이 크지는 않으며, 충전제들을 결합시키는 물질이 수용성 고분자 수지이므로 건조된 조형물이 물과의 접촉에 의해 쉽게 색상이 변하거나, 형태의 유지가 힘들고 접촉하는 섬유나 카펫 및 가구 등을 더럽히거나 손상시킬 수 있다는 등의 결함이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 경량 점토의 문제점을 개선하기 위하여, 발수제를 사용하여 건조된 조형물이 물과의 접촉에 의해 쉽게 변형되지 않으며, 기존의 중공미세구보다 비중이 더욱 작고, 후발포 특성을 갖는 고분자 중공미세구를 충전제로 사용하여 상대적으로 수용성 고분자 수지의 함량을 높여 건조된 조형물의 내구성을 개선시키고, 기존 점토보다 비중이 낮고, 내구성 및 탄성이 좋으며, 표면 발포 특성을 갖는 경량 점토를 얻었으며, 본 발명은 이를 기초로 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 조형물이 내수성을 가지며 탄성, 내구력 및 보존력이 우수하고 또한 발포특성을 갖는 조형용 경량 점토 조성물을 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 조형용 경량 점토용 조성물은 5 내지 30중량%의 수용성 고분자 수지, 1 내지 30중량%의 고분자 중공미세구, 0.1중량% 내지 5중량%의 발수제, 0.1 내지 30중량%의 글리세린, 0.01 내지 10중량%의 붕사 및 20 내지 80중량%의 물을 포함하며, 상기 고분자 중공미세구는 비중이 0.01 내지 0.06이고, 직경이 1 내지 100㎛이며 후발포 특성을 갖는 것으로 구성된다.

이하 본 발명을 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 종래의 무기계 점토는 탄성이라는 특성이 전혀 없는 제품이지만, 점토의 경량화라는 목적 하에서 제조되는 점토들은 충전제와 고분자 수지를 사용함으로써 탄성이 있는 점토가 제조되었다. 이러한 탄성은 점토의 새로운 기능으로 점토의 건조 전·후 모든 상태에서 탄성력이 뛰어나 어린이들이 점토를 이용하여 다양한 형태의 조형물을 만드는 것뿐만 아니라 장난감으로 가지고 노는데도 유용하다. 예를 들어 탄성이 우수한 점토를 둥글게 하여 공을 만들면 이를 다른 공들처럼 바닥에 통통 튀면서 사용할 수 있으므로 어린이들에게 새로운 흥미를 유발 할 수 있다. 이러한 경량 점토가 탄성을 보이는 원인으로 경량 점토에 사용되는 수용성 수지인 폴리비닐알코올의 분자량과 가수분해도와 관련 있지만, 같은 종류의 고분자 수지를 사용하는 경우에서는 충전제인 고분자 중공미세구의 크기 및 비중으로 특히 비중의 영향이 더욱 크게 작용한다. 가령, 같은 크기의 고분자 중공미세구에서 비중이 작은 것은 큰 것에 비하여 벽의 두께가 얇아지면서 고분자 중공미세구에 가해지는 힘을 효과적으로 내부에 저장할 수 있을 뿐만 아니라 저장된 힘을 표출하기도 쉽기 때문이다. 하지만 이전의 경량 점토는 이러한 탄성 특성에 대하여 간과하여 점토의 탄성이 미약하였지만 본 발명에서 점토의 탄성 특성을 높이기 위해서 기존의 충전제보다 더욱 밀도가 낮은 고분자 중공미세구를 사용하여 점토의 탄성을 크게 개선하였다.

더불어서 점토에 독특한 특성을 갖는 고분자 중공미세구를 충전제로 사용하면 상기의 경량 점토와는 다른 특성을 보이는 독특한 점토를 제조할 수 있다. 특히 후발포특성을 갖는 고분자 중공미세구를 사용하여 제조한 점토는 간단한 처리에 의해 조형물의 표면이 올록볼록하게 일어나는 엠보싱효과가 발현된다. 즉, 열에 의해 팽창하는 특성을 갖는 고분자 중공미세구를 충전제로 사용하여 제조된 점토로 조형물을 제작한 후, 이들 조형물의 표면에 열을 발산할 수 있는 기구(예, 열풍건조기)로 수 초간 열을 가하면 조형물의 표면에 존재하는 고분자 중공미세구들이 순간적으로 열에 의해 팽창됨으로 조형물에 새로운 특성을 부여한다. 예를 들면, 기존의 경량점토로 피부가 올록볼록한 동물들을 제조하고자 할 때 이들 동물의 피부를 표현하기 위해서는 많은 시간과 노력을 요구하지만 후발포특성을 갖는 고분자 중공미세구를 사용하여 제조된 점토를 이용하면 간단한 열처리로 쉽게 동물의 피부와 비슷한 올록볼록한 엠보싱효과를 발현시켜 손쉽게 다양한 동물작품을 제조할 수 있게 한다. 이러한 후발포특성을 갖는 고분자 중공 미세구와 같은 충전제를 사용함으로써 기존의 점토와 달리 조형물에 다양한 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 조형용 경량 점토 조성물은 수용성 고분자 수지, 충전제, 발수제, 항균제, 보습제 및 겔화제를 포함한다.

본 발명의 수용성 고분자 수지는 분자량이 86,000 내지 185,000이며, 가수분해도가 80 내지 95mol%인 물에 잘 녹는 고분자로써, 분자의 단위체에 극성 작용기인 히드록시, 아민, 아미드, 카복실리산, 카복실리산염 및 니트로기를 함유한 고분자 또는, 이들 고분자들 사이 또는 다른 고분자와의 공중합체로 수용성을 보이는 고분자인 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 폴리(에틸렌-비닐아세테이트), 폴리(프로필렌-비닐아세테이트), 폴리아크릴레이트, 폴리(비닐아세테이트-아크릴산), 비닐아세테이트-아크릴산에스테르 공중합체, 비닐아세테이트-메타크릴산 공중합체, 비닐아세테이트-메타크릴에스테르 공중합체, 비닐아세테이트-메틸메타크릴산염 공중합체, 비닐아세테이트-아크릴아미드 공중합체, 또는 비닐아세테이트-2-에틸헥실메타크릴산염 공중합체이며, 바람직하게는 폴리비닐아세테이트의 부분 가수분해로 제조된 폴리비닐알코올이다.

상기 고분자 수지의 분자량이 86,000 미만이면 점도가 낮아 점토에 흐름성이 없어지지 않고, 185,000을 초과하면 반죽이 잘 되지 않고 너무 질겨 손으로 조형을 만들기 힘들며, 가수분해도가 80몰%미만이면 점토에 초산 성분이 많이 남아 있게 되어 장기간 보관시 시큼한 냄새가 발생하거나 점토가 묽어지는 문제점이 있으며, 가수분해도가 90몰%이상의 것은 고분자 수지의 점착성이 떨어져 충전제나 기타 첨가제가 손에 묻게 되는 문제점이 있다.

상기 수용성 고분자 수지의 함량은 5 내지 30중량%이며, 바람직하게는 8 내지 20중량%이다. 상기 수용성 고분자 수지의 사용량이 5중량% 미만이면 조형시 유연성, 확장성, 성형성은 좋아지나 조형물의 보형성은 떨어지며, 30중량%를 초과하면 점토의 유동성이 나빠지며, 빠르게 경화되어 딱딱해지고, 조형시 작업성 및 감촉이 나빠지는 등의 경향이 나타난다.

상기 충전제는 비중이 0.01 내지 0.06, 바람직하게는 0.01 내지 0.05이며 입자의 크기는 1 내지 100㎛, 바람직하게는 20 내지 60㎛이며, 열에 의해 쉽게 후발 포가 가능한 고분자 중공미세구이다. 상기 고분자 중공미세구의 주성분은 염화비닐리덴, 아크릴로니트릴, 아크릴산에스테르, 스틸렌, 또는 디비닐벤젠의 공중합체 및 상기 공중합체와 표면이 다른 특성을 갖도록 개선된 것으로 물에 불용성인 고분자 성분으로 이루어진 물질로 구성된 것을 주로 사용하며, 대부분 표면에 탈크, 마이카(mica), 실리카, 칼슘카보네이트 등을 코팅시켜 사용하게 된다. 이의 함량은 1 내지 30중량%, 바람직하게는 3 내지 10중량%이다.

상기 고분자 중공미세구의 사용량이 1중량% 미만이면 충진제의 부피가 사용된 고분자 수용액을 모두 함유할 수 없게 되어 고분자 수용액의 흐름성이 반죽에 나타나므로 점토의 연성이 증가하여 조형물의 보형성이 감소하고 가벼운 물질인 충전제의 감소로 인하여 점토의 비중이 크게 증가하며, 30중량%를 초과하면 수용성 고분자 수지 수용액이 충전제를 완전히 접착하지 못하기 때문에 점토의 전체 부피를 나타내는 충전제들 간의 결합의 약화로 강도가 감소하여 쉽게 부스러지고, 쉽게 갈라져 조형시 작업성이 크게 나빠진다.

상기 보습제는 점토의 사용 시 및 점토의 건조시 갈라짐이나 사용자의 감촉을 부드럽게 해주기 위해 첨가되며, 주로 다가 알코올계 성분인 글리세린, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,3-부탄디올 및 이들의 혼합물을 사용하며, 바람직하게는 글리세린이며, 이는 분자 내에 존재하는 히드록시기의 작용에 의해 많은 양의 수분을 함유시킴으로써 점토를 장시간 사용할 수 있게 한다. 이의 함량은 0.1 내지 30중량%, 바람직하게는 10 내지 25중량%이다.

상기 보습제를 0.1중량% 미만 함유한 점토에서는 수분의 증발 속도가 빨라져 조형하는 동안 건조가 일어나게 되어 완성된 조형물이 갈라지거나 부서지기 쉽고 사용자가 원하는 형태로 점토의 변형하고자 할 때 점토가 끊어지거나 두개의 점토가 서로 혼합 및 접합이 잘 이루어지지 않는 등의 성형성이 크게 감소하며, 30중량%를 초과하면 많은 수분을 장시간 함유하기 때문에 제작된 조형물의 건조에 많은 시간이 걸리며 끈적임이 커져서 손에 찌꺼기가 묻거나 옷에 붙어 떨어지지 않는 등의 문제점이 있다.

본 발명에서 점토의 내수성을 증가시키기 위해서 사용되는 발수제는 주로 소수성의 특성을 가지고 있는 실란올이 바람직하며, 이의 함량은 0.1 내지 5중량%이다. 상기 발수제의 함량이 0.1중량% 미만으로 제조된 점토는 제작된 조형물이 물과 접촉하였을 때 빠르게 점토가 용해되기 때문에 제품 및 작품이 훼손되며, 용해물들이 사용자의 옷이나 바닥의 카펫 및 벽과 가구 등을 손상시키는 등의 문제점이 발생한다. 이의 함량이 5중량%를 초과하면 발수제의 물을 밀어내려는 특성에 의해 수용성 고분자 수지 용액 중의 물을 점토 외부로 밀어내려는 성질이 강하게 작용하여 제조된 점토의 발수 효과는 증가하지만, 내부의 수분이 급속히 제거되어 제품이 푸석푸석해지고 물의 부족에 의해 연성 및 탄성이 나빠지는 등의 문제점으로 인하여 조형물이 쉽게 쪼개지고 부서진다.

상기 수용성 고분자 수지, 충전제, 보습제 및 발수제를 포함하는 혼합물은 점도는 크지만 흐름성이 있다. 이러한 흐름성을 줄이기 위해 수용성 고분자 수지의 겔화를 유도할 수 있는 겔화제를 첨가한다. 상기 겔화제는 붕사, 테트라이소프로폭사이드 티탄늄이 사용되며, 바람직하게는 붕사이다. 이의 함량은 0.01 내지 10중량 %, 바람직하게는 0.3 내지 2중량%이다.

상기 겔화제의 사용량이 0.1중량% 미만이면 제조된 점토가 끈적거려 손에 달라붙으며 흐름성이 커 보형성이 나쁘고, 10중량%를 초과하면 수용성 고분자가 심하게 경직되어 제품이 딱딱하게 굳어 연성 및 탄성이 감소하며 가공성이 나빠지며 제품의 사용기간이 급격히 짧아지는 등의 문제점을 보인다.

본 발명에서 수용성 고분자 수지를 용해시키기 위해 사용한 물의 사용량은 20 내지 80중량%이며, 바람직하게는 50 내지 70중량%이다. 상기 물의 함량이 20중량% 미만이면 폴리비닐알콜이 충분히 용해되지 못하여 점토의 기능을 발휘하지 못하며, 80중량%를 초과하면 나머지 성분들이 너무 적어 점토의 흐름성이 커 조형하지 못하게 된다.

본 발명의 조형용 경량 점토용 조성물은 매우 가벼우며, 외력에 의해 쉽게 구부러지나 부러지지 않으며, 건조 전후에 제품의 탄성이 크며, 내수성이 높은 장점이 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만 하기의 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

물 53.74g, 고분자량의 수용성 고분자 폴리비닐알코올 분말 15.82g, 입자크기가 40㎛이며, 비중이 0.042이며 발포 특성을 갖는 고분자 중공미세구 분말 6.64g, 글리세린 19.85g, 실란올 3.14g 및 겔화제인 붕사 0.81g을 혼합·반죽하여 경량 점토 100g을 제조하여 발포특성, 발수특성 및 탄성 등을 측정하였다.

비교예 1

물 56.1g, 고분자량의 수용성 고분자 폴리비닐알코올 분말 15.7g, 입자크기가 100㎛이며, 비중이 0.025인 발포특성이 없는 고분자 중공미세구 분말 6.64g, 글리세린 20.75g 및 겔화제인 붕사 0.81g을 혼합·반죽하여 경량 점토 100g을 제조하여 발포특성, 발수특성 및 탄성 등을 측정하였다.

비교예 2

물 56.1g, 고분자량의 수용성 고분자 폴리비닐알코올 분말 15.7g, 입자크기가 40㎛이며, 비중이 0.042이며 발포 특성을 갖는 고분자 중공미세구 분말 6.64g, 글리세린 20.75g 및 겔화제인 붕사 0.81g을 혼합·반죽하여 경량 점토 100g을 제조하여 발포특성, 발수특성 및 탄성 등을 측정하였다.

비교예 3

물 56.1g, 고분자량의 수용성 고분자 폴리비닐알코올 분말 15.7g, 입자크기가 20㎛이며, 비중이 0.060이며 발포 특성을 갖는 고분자 중공미세구 분말 6.64g, 글리세린 20.75g 및 겔화제인 붕사 0.81g 혼합·반죽하여 경량 점토 100g을 제조하여 발포특성, 발수특성 및 탄성 등을 측정하였다.

비교예 4

물 56.1g, 고분자량의 수용성 고분자 폴리비닐알코올 분말 15.7g, 입자크기가 40㎛이며, 비중이 0.025인 발포특성이 없는 고분자 중공미세구 분말 6.64g, 글리세린 20.75g 및 겔화제인 붕사 0.81g 혼합·반죽하여 경량 점토 100g을 제조하여 발포특성, 발수특성 및 탄성 등을 측정하였다.

비교예 5

물 34.49g에 고분자량의 수용성 고분자 폴리비닐알코올 분말 3.92g을 넣고 완전히 용해시킨다. 상기의 폴리비닐알코올 수지 38.41g에 입자크기가 60㎛이며, 비중이 0.37인 고분자 중공미세구 분말 33.53g과 점토의 수분 함유량을 일정하게 유지시키기 위해 보습제인 글리세린 5.6g과 프로필렌글리콜 20.0g을 첨가한 후 1시간동안 교반한다. 이것에 겔화제인 붕사 1.65g을 첨가하고 30분간 교반하여 경량 점토 100g을 제조하여 발포특성, 발수특성 및 탄성 등을 측정하였다.

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 5에 따라 얻어진 경량 점토의 비중, 후발포성, 탄성 및 내수성를 하기 표 1에 나타내었다.

	비중	후발포성	탄성율	내수성
실시예 1	0.32	매우 우수	47%	매우 우수
비교예 1	0.29	매우 나쁨	50%	보통
비교예 2	0.32	매우 우수	45%	보통
비교예 3	0.38	매우 우수	25%	나쁨
비교예 4	0.30	보통	37%	보통
비교예 6	0.42	나쁨	25%	나쁨

후발포성은 약 130℃의 열풍에 노출되었을 때 표면이 부푸는 정도를 비교 측정하였으며, 탄성은 10g의 반죽을 공모양으로 만들어 1m 높이에서 두께 5㎜의 유리판 위에 떨어뜨렸을 때 뛰어오르는 높이로 측정하였고, 내수성은 100℃의 물 1리터에 점토 1g을 떨어뜨린 후 각각의 샘플이 용해되는 특성을 측정하였다.

상기 실시예 1과 비교예 1 내지 5에서와 같이 후발포 특성을 갖는 고분자 중공 미세구를 사용하였을 때에는 점토의 표면이 열에 의해 5초내에 쉽게 발포가 되어 표면에 엠보싱과 같은 효과를 나타내는 반면에 그렇지 못한 것은 30초간의 열 노출에도 아무런 변화가 없거나 미미하였으며, 또한 표면이 타는 현상이 나타났다. 또한 비중이 0.1이하의 매우 가벼운 중공 미세구를 사용함으로써 점토의 탄성이 매우 높게 나타났으며, 발수제인 실란올을 사용하였을 때는 물에 잘 견디는 것으로 나타났다.

본 발명의 경량 점토용 조성물은 부드럽고 사용이 용이하며, 가벼워서 이동이 편리한 기존 경량 점토의 특성을 가질 뿐만 아니라, 발수제를 사용하여 물과의 접촉에 의해 조형물이 쉽게 변형 및 탈색되는 것을 감소시켰으며, 외력에 의해 쉽게 파손되지 않으며, 비중이 보다 낮은 고분자 중공 미세구를 사용하여 점토의 탄성이 크게 향상되었고 열을 가하면 조형물의 표면을 간단한 방법으로 짧은 시간 내에 올록볼록하게 만들어 보다 사실적인 표현이 가능하게 되었다.

따라서, 본 발명의 경량 점토 조성물은 비중이 낮아 가볍고, 탄성 및 내구성이 좋으며, 내수성이 뛰어나고, 발포 특성을 갖는 고분자 중공 미세구를 사용함으로써 기존의 점토에서 볼 수 없었던 표면 발포 특성을 갖는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 5 내지 30중량%의 수용성 고분자 수지, 1 내지 30중량%의 고분자 중공미세구, 0.1중량% 내지 5중량%의 발수제, 0.1 내지 30중량%의 글리세린, 0.01 내지 10중량%의 붕사 및 20 내지 80중량%의 물을 포함하며,

   상기 수용성 고분자 수지는 분자량이 86,000 내지 185,000이고, 가수분해도가 80 내지 90mol%인 폴리비닐알코올이며,

   상기 고분자 중공미세구는 비중이 0.01 내지 0.06이고, 직경이 1 내지 100㎛이며 후발포 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 조형용 경량 점토용 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 발수제는 실란올인 것을 특징으로 하는 조형용 경량 점토용 조성물.
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