KR100824387B1 - 용해성 가공 분산안료 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잉크 또는 페인트의 제조에 착색용으로 사용되는 용해성 가공분산안료 및 그 제조법에 관한 것으로, 안료, 결합제, 습윤제의 혼합물을 분산시켜 분산 혼합물을 생성한 다음 분산 혼합물을 시트화 하고 냉각하여 고형분산혼합물을 만들고 분쇄기로 미분쇄하는 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 용해성 가공분산안료는 파우더형태의 안료를 수지 조성물과 섞어 미리 완전 분산 후에 가루형태로 제조하는 것으로 잉크 또는 페인트를 제조하는 공정에서는 분산기를 이용한 안료 분산공정 없이 간단한 용해 설비만으로 잉크 또는 페인트를 제조할 수 있다.

이와 같은 제조 방법은 기존의 안료를 이용하여 분산하는 방법에 비해 설비, 인원, 생산공간 및 제품 손실을 줄일 수 있으며, 공정의 단순화로 생산시간이 단축되고, 소량 다품종 생산이 용이하며, 분진의 비산을 방지하여 작업환경을 개선할 수 있다. 또한 소비자가 원하는 유기 및 무기안료로도 가공이 가능하기 때문에 제품개발을 신속하게 할 수 있는 여러 가지 이점을 지닌다.

분산안료, 안료, 결합제, 수지, 분산

Description

용해성 가공 분산안료 및 그 제조방법{Soluble Dispersion-Process Pigment and Method for Manufacturing thereof}

도 1은 종래의 잉크 생산 방식을 도시한 순서도이다.

도 2는 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료의 제조방법을 도시한 순서도이다.

도 3은 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료의 210배 확대한 사진이다.

도 4는 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료와 일반 안료를 유기용제에 투입한 후 그 변화를 나타낸 사진이다.

도 5는 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료로 잉크를 제조하여 그 입도분포를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료를 이용하여 잉크를 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명은 잉크 또는 페인트의 제조에 사용되는 용해성 가공분산안료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 안료, 결합제, 습윤제의 혼합물을 분산시켜 분산 혼합물을 생성한 다음 분산 혼합물을 시트화 하고 냉각하여 고형분산혼합물을 만들고 분쇄기로 미분쇄하는 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 가공분산안료로 상기 가공분산안료는 결합제 수지 내에 안료입자가 분산된 고형의 가공분산안료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

안료는 유색의 고체 분말로 카본블랙처럼 10㎚에 불과한 미립자에서부터 수백㎚까지의 크기를 가진 단결정(=1차 입자)이 모여 입자를 이루고 있다. 고유한 색상을 나타내도록 크기나 형태를 조절하여 만들어진 일차 입자도 다음 공정인 건조 공정에서 입자 자신들끼리 응집하여 2차 입자가 형성되는 데 이때 1차 입자의 면과 면이 부착되어 딱딱한 응집이 되며 입자의 부위가 붙어 덩어리가 되고 이것이 분쇄 공정을 통하여 분말 안료가 된다. 이 때문에 분말 안료를 분산이라는 공정을 통하여 응집된 안료를 1차 입자 상태로 강제 분산(Grinding)하여 수지 용액 중에 안정화 시켜 사용한다. 안료성분이 수지 용액과 혼합되어 세 가지 단계로 분산이 이루어진다.

먼저 습윤 공정으로 안료의 표면과 기공을 습윤하고, 공기나 수분 등을 액상 매체로 치환하게 되며, 안료성분과 수지용액 및 첨가제를 투입한 다음 교반기(예, 디졸바, 믹서 등)를 이용하여 500~ 700rpm의 속도로 10~30분간 예비혼합(Premixing) 단계를 거친다. 이러한 습윤 공정을 거침으로써 안료 응집체가 수지용액에 의해 습윤 되는 속도를 가속화 시킨다. 이후 분쇄공정으로 응집된 안료의 입자를 기계적인 힘을 가하여 파괴시켜 1차 입자상에 가까운 형태로 분쇄하게 된다. 마지막으로 분산공정을 통해 1차 입자 상태의 안료를 수지용액(Vehicle)에 안정화 시키게 된다.

잉크나 페인트 제품들은 전통적으로 안료, 수지, 유기용제, 첨가제를 첨가하여 습윤 및 분산공정을 통하여 제조되고 있다. 도 1은 종래의 분산공정을 도시하고 있다. 먼저 안료, 수지, 용제 및 첨가제를 배합하고 이후 안료의 표면과 기공을 습윤하고 공기나 수분을 액상 매체로 치환하는 습윤 공정을 거친다. 그리고 분산기로 분산을 하고 이후 수지, 용제, 첨가제를 첨가 하거나 휘발 분을 보충하는 렛다운(Let Down)공정을 거친다. 그리고 완제품을 여과 막에 통과시켜 이물질을 제거하는 필터링공정을 거쳐 생산하게 된다. 이러한 분산공정에 사용되는 분산기로 지르코늄 또는 유리 비드를 이용하는 다이노밀(Dyno mill), 볼밀(Ball mill)과 롤러, 고속 디스크 분산기 등이 있는데 가장 대표적인 것이 비드밀 분산기이다.

비드밀 분산의 개념은 먼저 배합된 착색제를 펌프를 이용하여 베셀 내부에 투입한다. 착색제는 베셀을 통과하면서 비드(Bead)에 부딪치게 되고 충격응력으로 응집된 안료가 1차 입자로 분산되는 원리를 이용한 것이다. 다음으로 베셀 내부에서 디스크가 회전 (디스크 중간에 구멍 있음)하면서 비드를 이동시킨다. 이 경우 베셀 외부에 냉각수를 투입하여 온도가 상승 방지시킨다. 비드는 마모되므로 주기적으로 교체(비드의 양은 75~85%)해 주어야 하는 어려움이 있다.

그리고 기존의 액상 분산 시스템은 액상의 착색제에 포함되어 있는 응집된 안료가 비드에 부딪쳐 충격응력으로 1차 입자화 되는 시스템이다. 이러한 분산 개념은 여러 가지 한계가 있다. 점도가 낮은 착색제는 가능하지만 1차 입자화 까지 시간이 오래 걸린다는 문제가 있고 또한 점도가 높은 경우에는 분산이 어려운 문제가 있다.

페인트 제품들은 전통적으로 안료, 수지, 유기용제, 첨가제를 첨가하여 습윤 및 분산공정을 통하여 제조하였으나, 최근에는 백색 안료를 미리 분산하여 기재 페인트를 만든 후에 농축된 착색제(페이스트)를 첨가하여 제조하는 착색 시스템이 사용되고 있다. 착색제의 장기간 보관에도 동일한 착색력 유지가 관건인데, 이를 위해 안료의 응집 또는 침강을 방지하기 위해 과도한 분산을 하고, 다량의 첨가제를 투입해야하는 단점이 있다. 또한 비점이 높은 습윤제를 사용하고 있으나 액상 용제의 특성상 약간의 휘발이 발생하며, 정확한 계량이 힘들다는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 개선시키기 위하여 안출한 것으로, 습윤 공정과 분산공정 없이 용제에 녹이는 공정(교반공정)으로 제품을 생산 할 수 있는 용해성 가공분산안료 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 는 파우더 형태의 안료를 수지 조성물과 혼합 분산하여 가루 형태로 제조하여 안정적으로 분산되는 용해성 가공분산안료 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 안료, 결합제, 습윤제를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계와; 상기 혼합물을 분산시켜 안료입자에 결합제를 코팅하여 분산 혼합물을 생성하는 단계와; 상기 분산 혼합물을 시트화하고 냉각하여 고형분산혼합물을 만드는 단계; 및 상기 고형분산혼합물을 분쇄기로 미분쇄하는 단계를 포함하여 이루어지는 공정에 의해 제조된다.

또한 상기 혼합물은 첨가제를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 안료, 결합제, 습윤제의 혼합물을 분산시켜 분산 혼합물을 생성한 다음 분산 혼합물을 시트화하고 냉각하여 고형분산혼합물을 만들고 분쇄기로 미분쇄함으로서 얻을 수 있다.본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 고형상태인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용되는 안료는 유기안료 또는 무기안료 가운데 하나 또는 복수개 선택할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 안료는 착색안료이며 효과를 내기 위한 안료인 금속분말안료, 진주펄안료, 액정안료, 홀로그래피안료, 다층안료, 체질안료는 제외한다. 안료는 착색을 위해 사용되며 발색 성분에 따라서 유기안료와 무기안료로 나뉜다. 본 발명에 사용되는 유기안료는 특히 용성아조계, 불용성 아조계, 축합계 아조, 프탈로시아닌, 축합다환계안료, 일광 형광안료, 중공수지 안료이고, 무기안료는 특히 연계, 크롬계, 카드뮴계, 산화철계, 카본블랙, 복합산화물계, 산화티탄, 티탄옐로우, 군청 및 감청 안료이다.

본 발명품에 착색된 안료의 중량%는 2~80%로 변화되는데 사용되는 잉크 또는 페인트의 특성에 따라서 안료를 선택한다. 색채, 분산성, 착색력 등의 기본적인 물성 외에도 내광성, 내열성, 산·알카리 조건에서의 반응성, 내화학성, 외부 내구성 등을 고려하여 선택한다. 안료가 결정되면 안료의 크기, 결정 상태, 표면성질을 고려하여 결합제, 습윤제 및 첨가제를 결정하게 된다.

안료의 분산과 입자의 크기는 밀접한 상관관계가 있고, 응집력의 크기에 따 라서 분산 시간과 강도 및 첨가제 양을 조절해 줘야 한다. 카본 블랙의 경우는 1차 입자가 0.01~0.05㎛로 아주 미세하지만 응집된 2차 입자의 크기가 0.1~10㎛로 크고 응집력이 커서 1차 입자로의 분산이 매우 어렵다. 또한 안료가 1차 입자로 분산하여 안료로 감싸줘야 하므로 첨가제의 양과 결합제의 양을 늘리고 분산을 충분하게 해줘야 한다.

안료 입자의 밀도와 표면적도 중요 고려 대상이다. 입자의 밀도가 크면 분산 강도를 높이고, 결합제의 결합력을 높여야 한다. 표면적이 넓어지면 흡유량이 많아지므로 첨가제를 투입하여 흡유량을 최소화 하고, 습윤제를 소량 증량한다.

안료 표면의 극성도 안료의 습윤에 고려할 특성으로 극성이 좋은 무기 안료의 경우는 습윤성이 좋아서 안료량을 극대화 할 수 있고, 극성이 좋지 않은 프탈로시아닌 블루(PB 15:3)와 같은 안료의 경우 안료량을 높이면 분산이 매우 어려워진다.

본 발명에 따른 결합제는 비닐중합체, 셀룰로오즈아세테이트 부티레이트(CAB), 알데히드 수지, 케톤수지, 석유수지, 탄화수소 레진, 로진(Rosins), 아크릴 수지로 구성된 그룹에서 선택되고 파우더 또는 입자의 상태인 것을 특징으로 한다. 결합제는 최종 제품의 유기용제 특성과 사용되는 수지 조성물과의 상용성을 고려하고, 사용용도에 따라서 결정된다. 즉 최종 제품이 어떤 제품인가에 따라서 수지와의 혼용성을 고려하고, 사용하는 유기용제의 극성 및 용해력을 판단하여 분산을 극대화 할 수 있는 결합제를 선택한다. 필요에 따라서는 여러 가지 결합제를 혼용하 여 사용 할 수 있다. 결합제는 분산 방식을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.

결합제의 형태는 입자 상태 또는 파우더 상태로 투입되며, 결합제의 50%이내에서 고형분이 10%이상인 액상을 사용 할 수도 있다. 배합 공정에서 안료, 결합제, 습윤제와 첨가제가 고루 섞인 상태에서 분산 공정에 투입되면 결합제가 열과 분산기의 분산작용으로 소프트 해지고 습윤제에 습윤 된 안료가 1차 입자로 분산된다.

상기 기록된 수지 외에도 결합력을 가진 수지는 모두 가능하며, 기본 수지에 대다수의 용매에 용해되는 저 분자량의 고분자 수지를 포함하여 용해력을 극대화 하고 있다.

본 발명품을 제조하는 과정에서 안료의 습윤성을 개선하고, 결합제가 쉽게 안료를 코팅할 수 있도록 하기위해 사용하는 습윤제는 주로 건강 또는 환경적인 위험물로 분류되지 않은 성분을 기본으로 하여 휘발성 및 악취 발생 여부를 고려한 다음 선택한다. 단, 최종 제품에 영향을 미치지 않는 한도 내에서 선택을 해야 하는데, 탄화수소계, 알코올계, 에스테르계, 케톤계 용제와 함께 지방 알코올, 지방산 에스테르, 지방산, 실리콘 등이 사용된다. 안료의 표면성질에 따라서 습윤제의 함량을 조절한다. 습윤제는 신속한 혼합 및 분산, 분산성 향상, 에너지 상용량 감소, 이형성 개선의 효과가 있다.

본 발명의 착색제는 0~10%가 투입되는데 제품의 특성에 따라서 다른 첨가제를 투입한다. 기존의 착색제가 액상이어서 액상에 적당한 첨가제(예, 침강 방지제, 소포제, 슬립제, 레벨링제 등)가 투입되었으나 본 발명에서는 상기 첨가제 보다는 고형의 가루 형태 제품에 알맞은 첨가제가 필요하다. 위의 세 가지 구성 성분의 특성에 따라 첨가제의 종류는 달라진다. 안료의 습윤성을 개선하고, 저장 시 온도 및 습도가 분산된 안료의 광택 및 색상에 영향을 주지 않도록 하고, 최종 제품 생산 시 용해력을 일정하게 유지 시켜주는 역할을 담당하게 된다. 또한 최종 제품의 물성을 보강하기위한 첨가제가 사용되기도 한다.

안료의 습윤성을 개선하기 위해서는 활성 물질이 100%인 습윤 분산제가 사용되며, 저장 안정성과 1차, 2차 분쇄의 성능향상을 위해 소량의 보강용 폴리머, 산화방지제, 석유수지, 로진, 왁스 등의 첨가제가 첨가된다. 또한 최종 제품의 물성을 보강하기위한 물질이 사용자의 요청에 의해 첨가 될 수 있다. (자외선 흡수제, 항균제, 방향제 등)

본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 안료 2~80중량%, 결합제 10~80중량%, 습윤제 2~50중량%로 구성되며, 첨가제로 지방족 폴리에스터, 변성 폴리에스터, 실리콘계 폴리에스터로 구성된 그룹에서 일 이상 선택하여 0~10중량%로 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 용해성 가공분산안료의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료의 제조공정을 도시한 순서도이다.

용해성 가공분산안료의 분산 메커니즘은 결합제의 종류에 따라 차이가 발생 하는데 주 결합제로 비닐 중합체를 이용하는 가공안료의 예를 들어 단계적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 자동 계량기 및 저울을 이용하여 결합제, 안료, 첨가제와 습윤제 순으로 원재료를 계량하여 혼합기에 투입한다.

습윤제는 비닐 중합체의 연화온도를 내리며, 유동성을 향상시키고, 연성과 유연성을 가지게 하는 역할을 한다. 안료, 결합제, 습윤제, 첨가제를 투입한 후 1~10분간 고속 브렌딩하면 열이 50~60℃정도 발생한다. 비닐 중합체는 55~65℃에서 겔화(gelation)가 처음으로 진행되는데, 상기 온도에서 습윤제와 첨가제의 점도가 낮아지면서 분자의 움직임이 활발한 상태로 변하기 때문에 결합제와 안료 입자 내부로의 침투가 쉽게 이루어진다. 고속믹서의 경우에는 강력한 회전력으로 짧은 시간 내에 열이 발생하여 습윤 효과가 극대화 되고, 리본블렌더의 경우에는 서서히 섞어 주면서 숙성 효과를 극대화 한다. 원통형의 통속에 있는 회전날개를 500~2000rpm의 고속으로 회전시켜 혼합하며 이때 재료들 간의 충돌이나 마찰에 의해 온도가 상승하게 되므로 소량의 습윤제와 첨가제로도 안료의 습윤을 가능하게 한다.

다음으로 롤형 또는 압출기형 분산기(니더 등)를 이용하여 분산한다. 겔링 된 조성물을 분산기에 투입한 후 강력한 전단력을 이용하여 응집된 안료를 분쇄하고 1차 입자 상태로 만든다. 결합제에 안료를 고르게 분산하여 안정화 시키게 된다.

비닐 수지의 유리전이온도(Tg)는 80℃이지만 결합제와 안료에 침투한 습윤제 와 첨가제가 결합제의 유리전이온도(Tg)를 낮추는 역할을 한다. 습윤제가 비닐 중합체 입자 덩어리내의 사슬 결합을 느슨하게 팽윤 시키면 사슬의 움직임이 시작되고, 액상 첨가제가 입자 내부로의 침투가 가속화되어 수지는 겔화(gelation)가 완료된다.

결합제가 같을 경우 안료의 분자 구조가 복잡하거나 1차 입자간의 응집력의 크기가 크거나 입자의 밀도가 클수록 안료와 수지가 겔화되는 온도가 높아지고 시간이 길어진다. 이는 액상 첨가제가 안료 및 결합제의 내부로의 침투가 용이하지 않기 때문이며 액상 첨가제의 양을 늘리거나, 예비 분산시간을 늘려줘서 겔화가 잘 이루어지도록 한다.

겔화가 이루어지면서 안료를 결합제가 감싸게 되고 분산공정에서 기계적인 전단력으로 결합제를 훈련하는 과정에서 습윤된 응집된 안료가 1차 입자화 되어 결합제에 코팅되는 과정을 거치게 된다.

분산기는 수지에 따라 해당되는 장치를 사용하여야 한다. 롤분산기(Roll Mill)에 의한 분산은 서로 반대방향으로 회전하는 2개 이상의 롤 사이에 원료를 압연시켜 분산하는 방식으로 고무와 같이 탄성이 있고 롤에 점착되는 특성이 있으며, 또한 물리적인 힘에 의해 압연되는 소성의 특성을 지닌 수지여야 한다. 즉 비결정 수지는 가능하며 해당되는 수지는 비닐중합체, 셀룰로오즈아세테이트 부티레이트(CAB), PU가 있다.

스크류형 분산기에 의한 분산은 열에 의해 점도가 저하되거나, 롤에 점착되는 특성이 없는 수지를 사용하여 용해성 가공분산안료를 제조할 경우에 사용된다.

스크류형 분산기는 압출기의 형태를 갖는 분산기로 단축 혹은 다축의 회전운동을 하는 스크류 사이로 안료를 통과시키면서 전단력에 의해 분산되는 형태이다. 해당되는 수지는 알데히드 수지, 케톤수지, 셀룰로오즈아세테이트 부티레이트(CAB), 석유 수지, 탄화수소 레진, 로진(Rosins), 아크릴 수지가 있다.

결합제의 종류에 따라서 분산기(롤형 분산기 혹은 스크류형 분산기)를 결정하면 분산개념은 거의 유사하다. 즉 겔화가 이루어진 분산물을 전단력을 이용하여 혼련(混練)하면서 안료를 수지에 1차 입자 상태로 분산하여 안정화 시키는 공정이다. 결합제의 열가소성 특성상 전단력이 높을수록 온도가 낮다. 온도가 증가할수록 폴리머 사슬의 유동성은 증가하고, 서로 잘 미끄러지며 에너지 유입과 생성되는 전단력은 떨어진다. 전단력은 분산 설비의 종류와 그의 운전조건을 어떻게 하느냐 하는 것에 의해서도 영향을 받는다. 롤 분산기에서 가공하는 비닐 중합체의 경우는 70~120℃에서 전단력이 최대가 되며, 안료 및 첨가제의 투입 여부에 따라서 온도가 조정된다.

전단력에 의해 안료가 분산이 될 때 금속 가공 설비 표면과 배합물의 표면사이의 마찰에 의해 온도가 급격하게 올라 문제가 발생할 경우가 있어 첨가제의 역할이 매우 중요하다. 즉 분산 초기에 첨가제가 안료와 결합제 사이의 계면에 존재하다가 온도가 올라가면서 녹기 시작하고 활발하게 움직이면서 분산 설비의 표면과의 마찰을 적당하게 감소시키고, 내부의 응집된 안료가 1차 입자화 되는 것을 도와주는 역할을 한다.

겔화가 완료되면 분산기의 전단력을 이용하여 분산을 하고, 스토리지 모듈러스(Storage modulus) 최대 영역을 지나면서 비닐 중합체 입자 내에 존재하는 사슬이 풀어져 나오는 용융이 시작되어 안료를 수지가 감싸게 된다. 분산온도가 너무 높으면 탄화가 일어나고, 낮으면 결합제의 사슬이 충분히 풀어지지 않아서 안료를 충분히 감싸지 못한다.

비닐 중합체는 비닐 사슬의 취약한 구조인 'Cl'을 다른 치환기(예: 비닐아세테이트, 아크릴산, 말레산, 비닐알콜 등)로 5~25%로 치환한 제품이므로 분산공정에서 온도를 일정온도 이하로 유지할 경우 탄화되지 않으며, 일정 온도 이상으로 상승하는 경우 첨가제를 추가 투입한다.

안료와 수지의 비율은 안료의 특성과 관계가 있다. 수지가 안료를 충분히 감싸지 못하면 1차 입자 상태로의 분산이 완전하게 이루어 지지 못하여 응집된 2차 입자 상태로 안료가 남게 되고 잉크 제조 시에 재 응집의 원인이 된다. 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 안료 2~80중량%, 결합제 10~80중량%, 습윤제 2~50중량%로 구성되며, 첨가제는 0~10중량%로 구성할 수 있다.

제조 공정에서 분산공정이 가장 중요한 이유는 수지에 대한 안료의 분산성이 충분하지 못할 경우 안료 분산 조성물은 안료의 재 응집 현상으로 광택의 저하, 색상 강도의 감소, 안료의 침강(settling)현상 발생하는 문제점이 발생한다. 또한 최근에는 더욱더 미려한 색상을 원하고, 사용 편의성이 중시되어 안료를 더욱 미세하게 분산하는 추세다.

이후 분산된 조성물을 시트화 하여 냉각기를 통과하도록 하여 발생된 열을 식혀주고 고형(Solid)화 하게 된다.

이후 1차 분쇄를 하기 위해 조분쇄기(Jaw Crusher)로 분쇄하는데 이송의 편의성과 정량 공급이 가능하도록 적당한 크기로 분쇄한다. 바람직하게는 5~10㎜ 크기로 분쇄한다.

분쇄된 가공안료를 공기압력 이송장치로 이송시켜 2차 분쇄 공정을 거친다.

이 때 정량공급장치를 통해 가공안료를 정량씩 공급하여 미 분쇄기로 분쇄하게 된다. 분산 가공안료를 이용하여 잉크 및 페인트를 제조할 때 입자의 크기가 용해 시간을 좌우하게 되므로 유기용제와 제조방식을 고려하여 입자크기를 결정하는 것이 바람직하다. 이때 입자의 크기는 0.01~0.50㎜로 분쇄하게 되며 특히 0.03~0.20㎜ 의 입자 크기로 분쇄하는 것이 바람직하다.

이후 사이클론(Cyclone)을 이용하여 제품 크기별로 분급한 다음 선별 포장한다. 포집기(Bag Filter)를 색상별로 교체하여 가장 작은 입자까지 포집하여 수율을 높인다.

본 발명품은 안료와 결합제 및 첨가제로 이루어진 가루 형태로 210배 확대하면 도 3과 같다. 안료, 결합제, 습윤제 및 첨가제 투입 후에 열과 기계적 전단력으로 응집된 안료를 1차 입자 상태로 균일하게 분산시킨 다음 분산된 안료를 결합제에 고르게 안착 시킨다. 제품의 중간체는 결합제와 첨가제 및 분산된 안료의 조성물로 급속 냉각을 통하여 과립 상으로 만든 다음 일정한 입자 크기(0.01~0.50㎜), 바람직한 입자 크기는 (0.03~0.20㎜)로 미분쇄하여 제품화 한다.

[표 1. 본 발명에 의한 용해성 가공분산안료와 안료 및 염료의 특성비교표]

	안료 (Pigment)	본 발명품 (Chip)	염료(Dye)
수 용 성	물에 녹지 않음	물에 녹지 않음	물에 녹음
제품화 방법	분산(Dispersion)	용해(Dissolve)	용해(Dissolve)
내 광 성	우 수	우 수	열 등
최종 입도	50 ~ 300㎚	50 ~ 300㎚	10㎚이하
주 용도	페인트, 잉크 등	페인트, 잉크 등	섬유, 잉크

상기 표 1에서 나타낸 것과 같이 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 분산 공정을 꼭 거쳐야 하는 안료의 단점과, 용해로 제품화 할 수 있으나 내광성이 떨어져 사용에 제약이 많은 염료의 단점을 극복하여 물에도 녹고 분산공정을 거치지 않고 용매에 용해시켜서 제품화 할 수 있어 안료와 염료의 장점을 모두 갖춘 제품임을 알 수 있다.

일반적으로 안료는 1차 입자가 응집된 상태로 공급되며 분산을 거치지 않고 단지 유기용제 또는 수지 용액에 투입하면, 일부 입자만이 분산되고 덩어리로 더욱 응집되는 경향이 있다. 잉크에서는 안료 입자들 대부분 1차 입자 또는 그 이하까지 분산한다. 이렇게 안료를 미분화 시키려면 안료 입자 상호간의 인력보다 큰 에너지가 필요하게 된다. 이 때문에 기계적인 힘으로 분쇄하여 수지에 안정화 시키는 분산과정을 거쳐 미려한 색상을 나타내게 된다. 유기안료의 경우 0.05~0.3㎛의 입자 크기로 분산하고 있다.

도 4는 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료와 일반 안료를 유기용제에 투입한 후 그 변화를 나타낸 사진이다. a)는 카본 블랙(Carbon Black)의 안료로 미세한 1차 입자 (보통 0.01~0.05㎛)가 뭉쳐있는 형태이다. 유기용제(MEK)를 카본블랙에 몇 방울 떨어뜨리고, 건조 시키면 b)와 같이 더 응집된 형태가 된다. 이 때문에 안료는 분산기로 분산하여 사용해야 하며 안료에 따라서 분산시간은 다르지만 카본블랙의 경우 300kg 작업 시 4~10시간의 분산공정을 거쳐야 한다. c)는 본 발명에 따른 블랙 용해성 가공분산안료로 입자크기가 0.03~0.20㎜인 본 발명품에 유기 용제를 떨어뜨리고 건조하면 d)와 같이 응집하지 않고 가공분산안료의 수지층이 용제에 고르게 용해되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 수지층이 용제에 용해하면서 일정한 크기로 기 분산된 안료가 유기용제 또는 수지 용액에 잘 섞이게 되고 분산된 안료를 수지가 감싸고 있어 재 응집하지 않아 안정화되는 것이다.

본 발명에 따른 용해성 가공분산안료를 이용하여 페인트 및 잉크의 제조한 경우와 종래의 안료를 사용하여 페인트 및 잉크를 제조하여 그 공정의 차이를 비교하였다.

실시예 1

본 발명에 따른 분산안료로 잉크 제트용(Wide format ink jet) 용해성 가공분산안료의 제조하였다. 이미 공지된 수준의 기술 방법을 이용하여 잉크를 생산하는 일부 비교 예가 포함되어 본 발명품과 비교 되어 있다. 사용되는 안료는 낮은 분산도를 가진 유색 안료로 제품을 제조한 후 최종 제품(잉크 및 페인트)을 만들어 비교한다.

유기 안료 중에 칼라지수(=C.I.No) PR 122인 퀴나크리돈(Quinacridone)은 낮은 분산도를 가진 유기 안료로 잉크 제트용 잉크의 적색으로 가장 많이 쓰인다. (상품명으로는 시바 스페셜티 케미컬즈사의 Cromophtal Pink PT, 클라이언트사의 PV FAST Pink E가 있다.)

퀴나크리돈 48중량%를 계량하고 결합제로는 비닐 공중합체(예, 다우케미컬의 Vinyl Copolymer Series) 31중량%와 알데히드 수지 6중량%를 계량하여 혼련 한다. 에스테르계 습윤제 5~10중량%와 알코올계 습윤제 3~7중량%를 첨가하고, 첨가제로는 왁스를 1.5 중량%, 로진 1.0%와 습윤 분산제 2.5%를 투입하여 10~15분간 혼련 한다.

혼련 된 배합물을 분산기에서 15~30분간 분산 한 후 롤밀 또는 틀을 통하여 얇게 쉬트화 하여 쿨링 시스템에서 급속 냉각을 한 다음 조크러셔(Jaw Crusher)에서 1차 분쇄를 한다. 분쇄된 입자를 에어이동 장비를 이용하여 정량 공급장치로 이동 시킨다. 정량 공급 장치에서 미 분쇄 장치(예, 터보밀(Turbomill))로 입자를 투입하여 2차 분쇄를 한 다음 입도에 따라서 포집하고 포장한다. (예, 싸이클론(Cyclon), 백필터(Bag Filter) 등)

도 6은 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료를 이용하여 잉크를 제조하는 공정을 도시한 순서도이다.

우선 용제, 첨가제 및 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료를 계량한다. 파우더 상태의 수지는 미리 녹여서 수지 용액으로 만들며 구성비는 다음과 같다. 싸이클로헥사논 35중량%와 부틸글리콜아세테이트 60중량%에 비닐 공중합체 5중량%를 투입하여 1~2시간가량 교반하여 녹인다. 교반용기에 용제를 투입하고 저속(500rpm 이상)으로 교반하면서 분산 가공안료를 적정량 투입하고 점차 교반 속도를 증가시켜 완전 용해시까지 고속(1500rpm 이상)으로 교반한다. 그 후 미리 녹영둔 수지 용액을 투입한다. 투입된 용액 수지 및 첨가제가 고르게 섞이도록 1000rpm 이상의 속도로 충분히 교반하고, 휘발된 용제의 양을 계량하여 그 휘발된 양만큼 보충 투입한 후 교반함으로써 잉크를 생산한다. 이와 같이 미리 분산 가공된 안료를 이용함으로써 잉크나 페인트 등의 도료를 간단하게 제조할 수 있다. 이때, 완성된 잉크는 250메쉬 이상의 여과막에 통과시켜 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.

[표 2. 용해성 가공분산안료와 일반 안료로 페인트 및 잉크를 제조한 경우의 공정 비교표]

300kg 작업 시		안료 사용	본 발명품(Chip) 사용
배합공정	계량 자동화	자동화하기 힘들다	가능
	비산 문제	호흡이 힘들 정도로 발생	미미하게 발생
	보호 장비	보안경 착용하고 온몸을 밀폐	보안경, 분진마스크, 장갑
예비 혼합 공정		700rpm에서 10~30분	교반기 700rpm에서 1~3분
분산 공정		분산기에서 4~10시간	교반기 1500rpm에서 10~20분
Let Down		분산 후 Let Down한 다음에 다시교반기로 교반해야 한다.	교반 공정이 마무리되면, Let Down한 다음 다시 교반 한다.

상기 표 2에서와 같이, 배합 공정에서는 기존 생산 방식에서는 부풀려진 상태의 안료 덩어리(Bulk volume= 0.5~8ℓ/㎏)가 비산하면서 오염 및 인체 흡입의 문제가 발생하였으나 본 발명을 사용하면 수지에 안료가 분산된 상태로 농축되어 (비중=1.0~2.0 g/㎤, Bulk volume= 0.5~2ℓ/㎏) 비산 되지 않는다.

습윤 및 분산공정은 기존 생산 방식에서는 안료의 비산 및 유기용제의 휘발에 문제가 발생 되었고, 분산공정에서도 유기용제 휘발과 기계세척으로 인한 폐기 물 발생이 문제였으나, 본 발명품을 사용하면 교반 공정만으로 제품을 생산하여 작업현장의 환경이 개선되고, 오염 물질 배출이 매우 축소된다. 색상의 경우도 기존 분산공정을 거친 제품보다 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료로 제조한 경우 투명하고 선명하며, 입도가 고르다.

도 5는 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료로 잉크를 제조하여 그 입도분포를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.

가로축은 입자크기를 0.03㎜ 간격으로 도시하고, 세로축은 입자크기에 해당하는 안료의 분포를 100% 비율로 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 용해성분산안료 두 가지를 선정하여(제품명 SVC YELLOW 1301, SVC BLACK7813) 입도 분석한 결과를 표로 정리하면 다음과 같다.

[표 3. 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료의 입도]

입 도	0.21~ 0.18㎜	0.18~ 0.15㎜	0.15~ 0.125㎜	0.125~ 0.09㎜	0.09~ 0.075㎜	0.075~ 0.045㎜	0.045㎜~
SVC YELLOW 1301	6.3%	7.0%	10.5%	41.2%	20.7%	13.1%	1.2%
SVC BLACK 7813	8.9%	7.8%	25.2%	39.7%	12.2%	5.8%	0.4%

위 표에서 알수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 대략 0.045~ 0.21㎜(65~ 325mesh) 구간에 분포하고 있으며 가장 많은 분포를 보인 구간은 0.09~ 0.15㎜(100~ 170mesh)구간이다. 따라서 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료가 위 입도 분포에 해당하는 경우 제품의 용해성이 양호하고 비산을 막을 수 있다. 위와 같이 입도가 약간 넓은 분포를 보이고 있으나 분쇄 강도를 조정하고, 속도를 제어하면 입도는 더욱 좁은 구간에 분포 될 수 있다.

실시예2

본 발명에 따른 용해성 분산안료 2가지 색상(제품명: SVC YELLOW 1301, SVC BLACK 7813)을 각각 10중량%씩 5개의 시료로 준비한 다음, 싸이클로헥사논 35중량%와 부틸글리콜아세테이트 55중량%에 투입하여 20분간 2000rpm으로 녹여 잉크를 제조 한 다음 잉크에 분산된 안료의 입도 분포를 측정한 결과 다음 도표와 같은 수치를 얻었다.

[표 4. 용해성 가공분산안료의 평균 입도분포]

	시료 1	시료 2	시료 3	시료 4	시료 5	평균
SVC YELLOW 1301	123.9	123.3	122.2	120.7	118.3	118.3
SVC BLACK 7813	124.6	127.0	123.8	122.7	123.9	123.9

안료를 분산기로 3~5회 분산(3~7시간 소요)한 결과보다 좋은 입도 분포를 보이고 있다.

이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예에 한하여 설명하였으나 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

전술한 구성 및 작용에 의한 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 용해성 가공분산안료는 파우더 형태인 착색을 위한 안료를 수지 조성물과 섞어 미리 완전 분산하여 1차 안료를 수지가 감싸고 있는 구조의 고형 가루형태이므로 분산하는 공정이 없이 분산된 안료를 둘러싸고 있는 수지층을 용매(용제)에 용해시키는 공정으로 쉽게 Ink 및 Paint를 제조할 수 있으므로 설비, 인원, 생산 공간 및 제품loss를 줄일 수 있으며, 공정의 단순화로 생산시간이 단축되고, 소량 다품종 생산이 용이하다.

또한 본 발명에 따른 용해성 가공분산안료로 잉크 또는 페인트를 제작하는 경우에는 분진의 비산을 방지하여 친 환경적이다.

또한 소비자가 원하는 어떠한 종류의 유기 및 무기안료로도 가공이 가능하기 때문에 제품개발을 신속하게 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (14)

1. 착색용 안료, 결합제, 습윤제의 혼합물을 분산시켜 분산 혼합물을 생성한 다음 분산 혼합물을 시트 화하고 냉각하여 고형 분산혼합물을 만들고 분쇄기로 미분쇄하는 공정에 의해 제조되는 가공분산안료로 상기 가공분산안료는 상기 결합제 수지 내에 안료입자가 분산된 고형의 가공분산안료.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 착색용 안료는 유기안료로 용성아조계안료, 불용성 아조계안료, 축합게 아조안료, 프탈로 시아닌 안료, 축합다환계안료, 일광 형광안료, 중공수지 안료 가운데 선택되거나 또는 무기안료로 연계안료, 크롬계 및 카드뮴계 안료, 산화철계 안료, 카본블랙 안료, 복합산화물계 안료, 티탄옐로우, 군청 안료 및 감청안료 가운데 선택되는 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 결합제는 비닐중합체, 셀룰로오즈아세테이트 부티레이트(CAB), 알데히드 수지, 케톤수지, 석유수지, 탄화수소 레진, 로진(Rosins), 아크릴 수지로 이루 어진 그룹에서 선택되는 일 이상의 수지인 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 습윤제는 탄화수소계, 알코올계, 에스테르계, 케톤계 용제와 함께 지방 알코올, 지방산 에스테르, 지방산, 실리콘으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료.
6. 제 1항에 있어서,

   착색용 안료는 2~80중량%, 결합제는 10~80중량%, 습윤제는 2~50중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료
7. 제 1항에 있어서,

   상기 혼합물은 지방족 폴리에스터, 변성 폴리에스터, 실리콘계 폴리에스터 로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 첨가제를 더 포함하여 이루어지는 용해성 가공분산안료.
8. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 결합제는 파우더 또는 입자의 상태인 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 용해성 가공분산안료의 입자의 크기는 0.01~0.50㎜인 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 용해성 가공분산안료의 입자 크기는 0.03~0.20㎜인 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료.
11. 결합제 수지 내에 안료입자가 분산된 고형의 가공분산안료를 제조하기 위해

    착색안료, 결합제, 습윤제를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계와;

    상기 혼합물을 열과 기계적 전단력으로 분산시켜 안료입자에 결합제를 코팅하여 분산 혼합물을 생성하는 단계와;

    상기 분산 혼합물을 시트화하고 냉각하여 고형분산혼합물을 만드는 단계; 및

    상기 고형분산혼합물을 분쇄기로 미분쇄하는 단계를 포함하여 이루어지는 제 1항의 용해성 가공분산안료의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 혼합물에는 지방족 폴리에스터, 변성 폴리에스터, 실리콘계 폴리에스터로 이루어진 그룹에서 선택된 첨가제를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료의 제조방법.
13. 제 11항에 있어서,

    상기 결합제는 비닐중합체, 셀룰로오즈아세테이트 부티레이트(CAB), 알데히드 수지, 케톤수지, 석유수지, 탄화수소 레진, 로진(Rosins), 아크릴 수지로 구성된 그룹에서 선택되고 파우더 또는 입자의 상태인 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료의 제조방법.
14. 제 11항에 있어서,

    상기 습윤제는 탄화수소계, 알코올계, 에스테르계, 케톤계 용제와 함께 지방 알코올, 지방산 에스테르, 지방산, 실리콘으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 용해성 가공분산안료의 제조방법.

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