KR100935128B1 - 발수성과 대기정화성능을 가지는 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물에 관한 것으로서, 광촉매 도료 조성물은 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄 1~10중량%, 수성 에멀젼 바인더 1~5중량%, 증점제 0.1~0.5중량%, 분산제 0.1~5중량%, 방부제 0.1~10중량% 및 물 85.5~97.7중량% 로 구성되도록 하여 하이드록시 아파타이트의 강한 흡착력을 이용하여 빛이 존재하지 않는 환경에서도 유해가스 및 유해 유기물을 흡착하여 잡아두고 빛이 존재하는 환경에서 이산화티탄의 광촉매 작용에 의해 유해가스 및 유해 유기물을 완전히 분해할 수 있음은 물론, 이산화티탄과 혼화성이 강한 실리케이트 계열의 발수성 물질을 같이 적용하여 발수성을 부여하여 수분 침투에 따른 강도약화를 저감하고 백화현상의 발생이 어렵도록 하는 것을 특징으로 한다.
하이드록시 아파타이트, 이산화티탄, 폴리실록산, 휘발성 유기물
Description
본 발명은 발수성과 대기정화성능을 가지는 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하이드록시 아파타이트의 강한 흡착력을 이용하여 빛이 존재하지 않는 환경에서도 유해가스 및 유해 유기물을 흡착하여 잡아두고 빛이 존재하는 환경에서 이산화티탄의 광촉매 작용에 의해 유해가스 및 유해 유기물을 완전히 분해할 수 있음은 물론, 이산화티탄과 혼화성이 강한 실리케이트 계열의 발수성 물질을 같이 적용하여 발수성을 부여하여 수분 침투에 따른 강도약화를 저감하고 백화현상의 발생이 어렵도록 하는 것을 특징으로 하는 발수성과 대기정화성능을 가지는 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물에 관한 것이다.
콘크리트제품의 경우 각종 리싸이클 소재를 첨가제로 사용하므로 표면으로 용출되는 여러 가지의 유해 물질과 그 유해성에 대한 논쟁이 빈번하게 이슈화 되고 있으며, 인체에 대한 유해성 문제가 끊이지 않고 있다. 이러한 이유로 이전부터 콘크리트제품에 광촉매를 적용 하고자 하는 많은 시도가 있어왔다.
광촉매는 빛에 의해 하이드록시 라디컬(OH-)과 슈퍼 옥사이드 이온을 발생하여 각종 유기물, 미생물 등을 무차별적으로 완전하게 분해할 수 있는 물질로서 최근 기능성 친환경 보조 소재로 각광을 받고 있다. 일본 광촉매 콘크리트 공업협회에서는 광촉매를 코팅한 콘크리트 제품을 제조하여 대기 중의 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)을 15% 절감 할 수 있다는 연구 보고를 낸 바 있으며, 건물의 외장면에 적용하여 10년 경과 후에도 표면이 깨끗한 상태로 유지되고 있는 상태를 확인하였다. 그러나 유기 오염물질 분해에 뛰어난 성능을 가지고 있는 광촉매는 빛이 없는 조건에서는 특유의 오염물 분해성능을 발휘하지 못한다는 단점을 가지고 있어 실제 제품에 적용할 경우 기능성이 크게 감소한다는 단점을 가지고 있다.
이에 본 발명은 상술한 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 오염물 등의 흡착능력이 우수한 하이드록시 아파타이트(hydroxy apatite)를 이산화티탄(Titanium dioxide; TiO2)에 피복함으로서 빛 에너지를 광촉매에 제공할 수 없는 환경에서 오염물 등을 이산화티탄 주변으로 흡착시켰다가 빛의 공급이 시작되면 이산화티탄이 오염물 등을 효율적으로 분해하여 무해한 상태로 자연에 환원시킴과 동시에 콘크리트에 이산화티탄과 혼화성이 강한 폴리실록산(polysiloxane), 실리콘 알콕사이드(Si(OR)4, R은 탄화수소 유도체) 등의 실리케이트 계열의 발수성 물질을 같이 적용하여 발수성을 부여하여 수분 침투에 따른 강도약화를 저감하고 백화현상의 발생이 어렵도록 한 발수성과 대기정화성능을 가지는 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 광촉매 도료 조성물은 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄 1~10중량%, 수성 에멀젼 바인더 1~5중량%, 증점제 0.1~0.5중량%, 분산제 0.1~5중량%, 방부제 0.1~10중량% 및 물 85.5~97.7중량% 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄은 1중량% 미만으로 첨가되는 경우에는 광촉매가 가지고 있는 대기정화 및 셀프크리닝 등의 기능성을 발휘하는 것이 어려우며, 10중량% 초과로 첨가되는 경우에는 광촉매가 원래 지니고 있는 백색에 의해 콘크리트의 표면의 색상을 변화시켜 제품의 심미성을 감소시킬 수 있으며, 콘크리트 제품의 표면에서 광촉매 입자들이 응집하여 백색의 덩어리들이 형성되어 미관상 좋지 못한 문제가 있어 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄은 1~10중량% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 수성 에멀젼 바인더는 자체 흡착성이 강하여 하이드록시 아파타이트 입자간 응집을 막아 이산화티탄 입자를 수분산 시키기 위하여 1~5중량% 첨가하는 것이 바람직하고, 추가적으로 분산제가 0.1~5중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 여기서 분산제로는 에탄올 또는 메탄올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 증점제는 반응물에 점성을 부여하는 성분으로서 케르산을 사용하며, 그 함량이 0.1~0.5 중량%의 범위를 벗어나면 점도가 너무 낮거나 너무 높아 유동성 및 작업성이 불량해 지므로 좋지 않다.
상기 방부제는 장기간 보관시 제품의 변질을 막기 위하여 첨가하는 성분으로서 소르빈산칼륨(potassium sorbate)을 사용하며, 그 함량이 0.1~10중량%의 범위를 벗어나면 유통 및 보관상에 변질될 우려가 있어 좋지 않다.
상기 물은 경제성과 이산화티탄 활성 및 공정의 원활성을 고려하였을 때 85.5~97.7중량% 첨가하는 것이 바람직하다.
한편, 하이드록시 아파타이트의 이산화티탄 표면에 대한 피복율은 5~36중량%인 것이 바람직하다. 왜냐하면 하이드록시 아파타이트의 이산화티탄 표면에 대한 피복율이 5중량% 미만이면 하이드록시 아파타이트에 의한 오염물의 흡착성이 발휘되기 어려우며, 36중량% 초과의 경우에는 하이드록시 아파타이트가 이산화티탄 입자를 모두 감싸버리기 때문에 광촉매의 성능을 저해하게 되기 때문이다.
또한, 상기 이산화티탄은 평균입경이 1nm 미만일 경우에는 이산화티탄을 도료로서 적용하기 어려울 뿐만 아니라, 광촉매로서 빛을 흡수하는 수광능력이 감소하여 광촉매로서 사용하기 어렵고, 250nm 초과일 경우에는 물에 이산화티탄 입자를 분산시키는 것이 어려워 광촉매가 고르게 분산되어 있는 도료를 만들기 어렵기 때문에 이산화티탄은 평균입경이 1~250㎚인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 광촉매 도료 조성물을 스프레이 코팅법, 딥 코팅법, 로울러 코팅법을 사용하여 콘크리트 표면에 코팅하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 코팅방법에 의하여 코팅된 콘크리트를 0℃~150℃ 온도범위에서 경화시키는 것이 바람직한데, 0℃ 미만의 경우에는 광촉매 도료 조성물의 동결이 문제가 되며, 150℃ 초과의 경우에는 수성 에멀젼 바인더의 주성분인 아크릴계열 수지의 분해 및 기화가 문제가 될 수 있기 때문이다.
상기와 같은 방법으로 경화된 콘크리트는 스플릿블록, 방음블록, 보강토블록, 옹벽블록, 보도블록 등 표면이 노출되는 콘크리트 제품을 제품화 할 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저 유기물 및 세균을 흡착할 수 있는 능력을 가지고 있고, Cax(PO4)y·(0H)z[x=5z, y=3z, z=1~50]의 분자식을 가지며, 대표적인 분자식은 Ca10(PO4)6(0H)2인 하이드록시 아파타이트를 이산화티탄에 피복하기 위하여 유사체액의 조건을 형성하여 Ca10(PO4)6(0H)2을 조건으로 하는 물질을 혼합하여 만드는 방법을 사용하며, 구성물로는 증류수에 Na+(213mM), K+(7.5mM), Ca²+(50mM), Mg²(1.5mM), Cl-(147.8mM), HCO3 -(6mM), HPO₄²-(12mM), SO₄²-(0.75mM)를 비율로 하여 고속으로 회전 시켜가며 이산화티탄을 첨가하여 분산시켜 1시간 동안 교반 하면서 이산화티탄 표면에 일정하게 하이드록시 아파타이트가 자리를 잡을 수 있도록 한다. 이후 교반을 멈춘 상태에서 24시간 동안 하이드록시 아파타이트를 성장시킨다. 그리하여 표면에 하이드록시 아파타이트의 분포가 고르게 피복된 이산화티탄을 얻을 수 있으며 이것을 1시간 동안 200℃~300℃의 열을 가하여 보다 안정된 제품을 얻을 수 있다. 이때 사용되는 이산화티탄은 아나타제(anatase)형, 루타일(rutile)형, 부룩카이트형 중에서 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 본 발명에서는 범용으로 사용되는 아나타제형의 P25타입(독일 데구사 제품)의 광촉매를 사용한다.
상기의 방법으로 만들어진 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄의 수용액상의 슬러리에 수성 에멀젼 바인더를 혼합하여 저속으로 교반 하면서 분산제로서 메탄올(CH3OH) 또는 에탄올(CH3CH2OH)을 첨가하고, 증점제로서 케르산, 방부제로 소르빈산칼륨을 첨가하여 고속으로 교반하여 본 발명의 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물을 제조한다.
한편 수성 에멀젼 바인더는 폴리실록산(R'SiOR"; R', R":탄화수소 및 탄화수소 유도체)과 아크릴수지를 공중합 하여 제조한다. 그 구조식은 아래와 같다.
상기의 구조식을 갖는 수성 에멀젼 바인더는 본 발명의 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함한 광촉매 도료 조성물의 경화 이후 폴리실록산과 이산화티탄이 고리화 됨으로써 수분은 차단하면서, 공기는 통과시키는 이상적인 상태를 유지하게 되어 백화현상의 발생을 막는 역할을 하게 된다.
이때 상기 아크릴 수지는 메타크릴계, 아크릴계, 초산 비닐계, 에틸렌 초산비닐 공중합체 등 실리콘 계열의 발수성 물질과 친화력을 가지고 결합시 문제가 발생하지 않는 고분자 물질이면 상관없다.
이하에서는 본 발명의 광촉매 도료 조성물로 스플릿블록, 방음블록, 보강토블록, 옹벽블록, 보도블록 등 표면이 노출되는 콘크리트 제품을 스프레이코팅(spray coating), 딥코팅(dip coating), 로울러 코팅법, 붓 코팅법의 방법을 이용하여 경제적으로 제조하는 방법에 관하여 설명한다.
이렇게 제조된 본 발명의 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물을 스플릿블록, 방음블록, 보강토블록, 옹벽블록, 보도블록 등 표면이 노출되는 콘트리트 제품에 스프레이 또는 함침에 의하여 표면에 코팅한 후 0℃~150℃ 온도범위에서 코팅된 광촉매 도료 조성물을 경화시켜 기능성 콘크리트 제품을 만든다.
본 발명의 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물을 콘크리트의 표면에 코팅함으로서 콘크리트 자체가 대기정화 성능을 구현함과 동시에 장기간에 걸쳐 깨끗한 표면을 유지할 수 있으며, 콘크리트의 내부로 물의 흡수를 막아 수분에 의한 콘크리트의 균열, 강도약화 및 백화현상 등을 막을 수 있다.
이하 본 발명을 구체적인 실시예 및 비교예를 들어 더욱 상세히 설명하나, 이는 설명의 목적을 위한 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
하이드록시 아파타이트의 광촉매 피복에는 유사체액의 조건을 형성하여 Ca10(PO4)6(0H)2을 조건으로 하는 물질을 혼합하여 만드는 방법을 사용하며, 구성물 로는 증류수 85중량%에 Na+(213mM), K+(7.5mM), Ca²+(50mM), Mg²(1.5mM), Cl-(147.8mM), HCO3 -(6mM), HPO₄²-(12mM), SO₄²-(0.75mM)를 비율로 하여 고속으로 회전 시켜가며 이산화티탄 10중량%를 첨가하여 분산시켜 1시간 동안 교반 하면서 이산화티탄 표면에 일정하게 하이드록시 아파타이트가 자리를 잡을 수 있도록 한 후, 교반을 멈춘 상태에서 24시간 동안 하이드록시 아파타이트를 성장시켰다. 그런 다음, 1시간 동안 200℃~300℃의 열을 가하여 보다 안정된 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄 광촉매의 수용액상의 슬러리를 얻었다.
상기의 방법으로 만들어진 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄 광촉매의 수용액상의 슬러리 95중량%에 폴리실록산과 아크릴수지를 공중합 하여 제조된 수성 에멀젼 바인더 2중량%를 혼합하여 저속으로 교반하면서 메탄올을 0.75중량%, 케르산 0.75중량% 및 소르빈산칼륨 1.5중량%를 첨가하여 고속으로 교반하여 본 발명의 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄을 포함하는 광촉매 도료 조성물을 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예1의 광촉매 도료 조성물을 콘크리트 스플릿블록에 스프레이 코팅한 뒤 25℃에서 24시간 건조 및 경화하여 광촉매 도료 조성물이 코팅된 콘크리트 스플릿블록을 제조하였다.
<비교예 1>
하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄이 첨가되지 않은 공지의 에폭시계 도료 조성물을 콘크리트 옹벽블록에 스프레이 코팅한 뒤 25℃에서 24시간 건조 및 경화하여 도료 조성물이 코팅된 콘크리트 스플릿블록을 제조하였다.
<비교예 2>
하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄 10중량%, 메탄올 0.75중량%, 케르산 0.75중량%, 소르빈산칼륨 1.5중량% 및 물 87중량%로 구성되며, 상기 실시예1의 방법으로 제조된 도료 조성물을 콘크리트 스플릿블록에 스프레이 코팅한 뒤 25℃에서 24시간 건조 및 경화하여 광촉매 도료 조성물이 코팅된 콘크리트 스플릿블록을 제조하였다.
<시험예 1>
광촉매 성능 평가
상기 실시예 2 및 비교예 1의 콘크리트 스플릿블록에 대해 광촉매 성능을 평가하기 위하여 한국광촉매협회에서 제시하는 광촉매성능평가 시험법-가스백B법을 이용하여 실시하였다.
그 결과를 표 1에 나타내었다.
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광촉매 도료 조성물은 광촉매 활성이 뛰어남을 알 수 있었다.
<시험예 2>
발수성능 평가
발수성능을 평가하기 위하여, 상기 실시예 2 및 비교예 2의 콘크리트 스플릿블록을 가로 세로 15cm, 두께 1.5 cm로 절단한 뒤 이것을 45˚의 각도로 세우고 뷰렛을 이용하여 증류수 1㎖을 떨어뜨려 그 흐름성을 육안 관찰하여 평가하였다.
그 결과를 표 2에 나타내었다.
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광촉매 도료 조성물은 발수성이 뛰어남을 알 수 있었다.
Claims (8)
- 하이드록시 아파타이트가 피복된 이산화티탄 1~10중량%, 폴리실록산과 아크릴수지를 공중합 하여 제조된 하기의 구조식을 갖는 수성 에멀젼 바인더 1~5중량%, 증점제 0.1~0.5중량%, 분산제 0.1~5중량%, 방부제 0.1~10중량% 및 물 85.5~97.7중량% 로 구성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 도료 조성물.
여기서, R'및 R": 탄화수소 및 탄화수소 유도체 - 삭제
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