KR101086852B1 - 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물 - Google Patents

내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물에 관한 것으로, 물 5 내지 20 중량%, 불소-실리콘계 에멀젼 40 내지 50 중량%, TiO2 15 내지 30 중량%, 체질안료 5 내지 15 중량%, 증점제 0.1 내지 2.0 중량% 및 첨가제 1.5 내지 3.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 불소-실리콘계 도료는 외장용 도료로서 기본적으로 내화학성, 내후성, 내구성 및 내변색성이 우수하며, 특히 표면장력이 낮아 발수성, 발유성 및 윤활성이 우수하여 도막의 내오염을 향상시키는 효과를 나타낼 뿐만 아니라 도료의 재도장 간격이 늘어나면서 건물 유지 비용을 크게 절감하는 경제적인 도료로서 현재 건축물 외장재 신규 건물 및 보수 시장에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물{FLUORO-SILICON COATING COMPOSITION HAVING IMPROVED CONTAMINATION RESISTANCE}
본 발명은 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실리콘보다 표면에너지가 낮고 전기 음성도가 높은 불소를 중합한 수용성 불소-실리콘계 에멀젼을 사용함으로써 친환경적이며, 낮은 표면에너지와 마찰계수 뿐만 아니라 높은 발수성 및 발유성으로 인해 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물에 관한 것이다.
경제 성장과 함께 공장 및 산업현장 등이 증가하면서 환경오염은 심각하게 대두되고 있다. 이런 대기 및 외부적인 오염, 자외선 등에 의해 현재 아크릴 합성수지를 사용한 건축물 외장 도료의 도막은 오염되고, 쉽게 손상되거나 열화되어 건축물을 유지 보수하는데 많은 비용과 시간이 소요되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 일부에서 아크릴 실리콘 에멀젼를 이용한 도료를 적용하고 있으나 발수성 및 발유성이 미흡하여 완벽한 내오염 성능을 발휘하고 있지 못하고 있을 뿐더러 약한 발수성에 의해 빗물이 흐르는 자국이 발생해서 건물의 오염이 더 심각해지고 있는 실정이다.
예를 들어, 종래의 아크릴 실리콘계 도료의 반응 메카니즘을 살펴보면, 주제에 사용되는 아크릴수지의 백본에 있는 하이드록실기와 글리시딜기가 경화제로 사용되는 아민계 실란(예; γ-aminopropyltrimethoxysilane)과 반응하여 실록산 결합(-Si-O-Si-O-) 및 가교결합으로 망상 구조를 이루어 불소 도료의 도막 물성에 버금가는 특성을 나타낸다. 그러나, 이러한 반응 메카니즘을 갖는 도료 조성물은 공기중의 습도에 매우 민감하여 상대습도 90% 이상에서는 도막의 균열, 흡광에 의한 광택 저하등의 도막 불량 현상이 나타나는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 주제와 경화제의 관능기를 바꾸어 도입하는 방법 즉, 주제의 아크릴수지 백본에 아미노기를 갖는 아크릴 모노머(예; n-Butoxymethylacrylamide)와 산을 도입하고 경화제로서 글리시딜기를 갖는 실란을 사용하여 상대습도 90% 이상에서도 도막 물성에 이상이 없는 도료 조성물이 개발된 바 있으나(대한민국 특허출원번호 제95-16615), 만족할만한 내오염성을 얻는데는 부족하였다. 따라서, 당업계에서는 우수한 내오염성을 갖는 실리콘계 도료의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하면서 내오염성이 우수한 실리콘계 도료를 개발하기 위해 계속 연구를 진행하던 중 실리콘보다 표면에너지가 낮고, 전기 음성도가 높은 불소를 중합한 불소-실리콘 에멀젼을 첨가시킴으로써 높은 발수성 및 발유성으로 내오염성이 우수한 고기능성 외장도료를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 물 5 내지 20 중량%, 불소-실리콘계 에멀젼 40 내지 50 중량%, TiO2 15 내지 30 중량%, 체질안료 5 내지 15 중량%, 증점제 0.1 내지 2.0 중량% 및 첨가제 1.5 내지 3.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물을 제공한다.
본 발명의 불소-실리콘계 도료는 외장용 도료로서 기본적으로 내화학성, 내후성, 내구성 및 내변색성이 우수하며, 특히 표면장력이 낮아 발수성, 발유성 및 윤활성이 우수하여 도막의 내오염을 향상시키는 효과를 나타낼 뿐만 아니라 도료의 재도장 간격이 늘어나면서 건물 유지 비용을 크게 절감하는 경제적인 도료로서 현재 건축물 외장재 신규 건물 및 보수 시장에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료는 물 5 내지 20 중량%, 불소-실리콘계 에멀젼 40 내지 50 중량%, TiO2 15 내지 30 중량%, 체질안료 5 내지 15 중량%, 증점제 0.1 내지 2.0 중량% 및 첨가제 1.5 내지 3.0 중량% 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용하는 불소-실리콘계 에멀젼은 아크릴 모노머가 코어로 구성되고, 반응성 실리콘 폴리머와 불소화합물을 쉘로 구성시킨 것으로, 이 때 불소-실리콘계 에멀젼 중에는 아크릴 모노머, 실리콘 폴리머 및 불소화합물이 4 : 1 : 2의 중량비로 포함될 수 있으며, 이를 60℃~80℃에서 5~8시간 동안 100~120rpm 속도로 교반 중합 반응시킴으로써 제조될 수 있으며, 이의 불휘발분은 45%~50%이다.
상기 아크릴 모노머는 여러 종류의 모노머 중 내후성과 내광성이 우수한 메틸메타아크릴레이트 모노머를 아크릴 모노머, 실리콘 폴리머 및 불소화합물이 4 : 1 : 2의 중량비가 되도록 사용하며, 상기 미만의 양을 사용할 경우 도료의 수지 성능을 발휘할 수 없으며, 상기 초과의 양을 사용할 경우 실리콘과 불소의 성능을 나타내기 어렵다.
상기 실리콘 폴리머는 아미노실란, 에폭시실란, 비닐실란 및 아크릴실란으로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있으며, 이는 아크릴 모노머, 실리콘 폴리머 및 불소화합물이 4 : 1 : 2의 중량비가 되도록 사용하며, 상기 미만의 양으로 사용할 경우 상기에 목표를 습득할 수 없으며 상기 초과의 양으로 사용할 경우 재도장성을 나타내기 어렵다.
상기 불소화합물은 불소를 함유하는 중합체, 공중합체 및 이들의 혼합물을 1종 이상 사용할 수 있으며, 이는 과불소알킬아크릴레이트, 불소아크릴레이트 및 불소알코올로 구성된 군으로 아크릴 모노머, 실리콘 폴리머 및 불소화합물이 4 : 1 : 2의 중량비가 되도록 사용하며, 상기 미만의 양으로 사용할 경우 불소의 특성을 제대로 발휘하지 못해서 발수성 및 발유성이 저하되어 목적하는 도막의 오염 방지효과를 수득할 수 없으며, 상기 초과의 양으로 사용할 경우 사용량 대비 효과가 상승되지 않으므로 가격면에서 바람직하지 않으며, 이 역시 너무 뛰어난 발수성 및 발유성 효과로 도료의 재도장성이 어렵다.
본 발명에서 사용하는 불소-실리콘계 에멀젼의 Tg는 10~20℃의 범위이여야 한다. Tg값이 너무 낮을 경우에는 하절기에 도막에 Tacky가 발생하여 먼지 등 이물질이 도막에 붙어 오염이 발생하며, Tg가 너무 높을 경우에는 동절기에 도막이 제대로 형성되지 않고 크랙이 발생하는 문제점이 생긴다.
중합된 불소-실리콘계 에멀젼은 본 발명의 도료 조성물 중 40 내지 50 중량%의 양으로 포함되며, 40 중량% 미만의 양을 사용할 경우 기본적으로 외부용 도료로서의 내구성, 내세척성 및 내변색성이 떨어지며, 50 중량%를 초과할 경우 도막의 광택이 높아지게 된다. 광택이 높아질 경우 건물 외벽에 도장 시 햇빛 반사에 의해 운전자 및 보행자의 시야를 방해할 수 있는 요인이 될 수 있다. 따라서 외부용 도료의 경우 광택도(85°) 10 미만이 적합하다.
본 발명에서 사용되는 TiO2는 백색안료로서 굴절율이 높고 입도가 미세하여 은폐력을 높이는 역할을 수행한다. 이는 조성물 총 중량을 기준으로 하여 15 내지 30 중량%의 양으로 포함되며, 15 중량% 미만의 양으로 사용하면 은폐율이 저하되며, 30 중량% 초과의 양으로 사용할 경우 상대적으로 불소-실리콘계 공중합 수지의 함량이 낮아져 목적하는 내오염성을 수득하기 어렵다.
본 발명에서 사용되는 체질안료는 충진제로 경질 탄산칼슘, 탈크 등을 사용할 수 있으며 이는 5 내지 15 중량%의 양으로 포함되며, 상기 함량범위를 벗어날 경우 본 발명의 목적 효과를 수득할 수 없다.
본 발명에서 사용되는 증점제는 셀룰로오즈계 증점제 또는 우레탄계 증점제가 있다. 이의 사용량은 도료 조성물 총 중량을 기준으로 하여 0.2 내지 2.0 중량%이며, 증점제량이 0.2 중량% 미만일 경우는 저장 중에 도료의 층분리가 발생하여 안정성을 확보할 수 없으며 증점제량이 2.0 중량%를 초과할 경우는 도료의 점도가 너무 높아 도장 작업성이 떨어지고, 도료의 레벨링성 저하로 우수한 도막의 마감면을 얻을 수 없다.
본 발명에서 사용되는 첨가제는 통상 수성 도료를 제조하는데 사용하는 것으로 분산제, 동결방지제, 소포제, pH 조절제, 레벨링제, 방부제 등이 있다. 이러한 추가의 첨가제는 1.5 내지 3.0 중량%의 양으로 첨가될 수 있다.
상기 분산제로는 나프탈렌 술폰산염 포르말린 축합물, 멜라민 술폰산염 포르말린 축합물, 폴리카르복산 화합물, 폴리카르복산 에테르, 방향족 아미노술폰산 폴리머 및 리그닌 술폰산의 금속염으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.
상기 동결방지제로는 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜을 사용할 수 있으며, 또한, 소포제로는 미네랄 오일계, 실리콘계 또는 기타 계열의 소포제가 사용될 수 있다.
또한, pH 조절제는 2-아미노-2-메틸-1-프로페놀을 사용할 수 있으며, 레벨링제는 폴리아크릴레이트 또는 변성 실록산을 사용할 수 있다. 또한, 방부제는 이소치아졸론계를 사용할 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3 : 불소-실리콘계 도료 제조
하기 표 1에 나타낸 배합비로 각 구성성분을 순서대로 교반 분산하여 도료를 제조하였다.
번호 구성성분 배합비(중량 %)
실시예 1 실시예 2 실시예 3
1 물 21.4 21.4 21.4
2 분산제 0.5 0.5 0.5
3 셀룰로스계 증점제 0.2 0.2 0.2
4 TiO2 25 25 10
5 탄산칼슘 5 10 2.5
6 탈크 5 10 2.5
7 소포제 0.3 0.3 0.3
8 불소-실리콘계 에멀젼 40 30 60
9 우레탄계 증점제 1.5 1.5 1.5
10 레벨링제 0.5 0.5 0.5
11 pH조절제 0.1 0.1 0.1
12 방부제 0.5 0.5 0.5
합계 100 100 100
비교예 1~2 : 도료 제조
하기 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에서 사용하는 불소-실리콘 수지를 사용하지 않고 아크릴 실리콘 수지 또는 아크릴 수지를 사용함으로써 각 구성성분을 교반 분산하여 도료를 제조하였다.
번호 구성성분 배합비(중량 %)
비교예 1 비교예 2
1 물 21.4 21.4
2 분산제 0.5 0.5
3 셀룰로스계 증점제 0.2 0.2
4 TiO2 25 25
5 탄산칼슘 5 5
6 탈크 5 5
7 소포제 0.3 0.3
8 아크릴 에멀젼 40 -
9 아크릴-실리콘 에멀젼 - 40
10 우레탄계 증점제 1.5 1.5
11 레벨링제 0.5 0.5
12 pH조절제 0.1 0.1
13 방부제 0.5 0.5
합계 100 100
시험예 1
상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 본 발명의 불소-실리콘계 도료 및 비교예 1 및 2에서 제조된 도료 조성물을 외부용 도료로서의 기본적인 도막 성능인 광택도, 은폐율, 내세척성, 촉진내후성을 KS M 6010 1종 1급 규격에 의해서 평가하였다. 특히 일반 아크릴 수지의 외부 수성보다 내후성, 내구성이 우수한 면을 평가하기 위해 내세척성 및 촉진내후성은 기존 규격보다 더욱 가혹한 조건으로 실시하였다.
도막의 내오염성 성능은 발수성과 발유성으로 판단하며 발수성은 물, 발유성 n-헥사데칸을 이용해서 접촉각을 평가하고, 슬라이딩성은 MFD판 20 x 20에 에어 스프레이 압력을 0.3~0.5kg/㎠ 정도로 전체적으로 도장한 후 7일동안 상온 건조한 다음 시편을 45°각도로 기울인 후 시편으로부터 10㎝ 높이에서 물방울을 떨어뜨린 후 육안 관찰하였다.
평가항목 평가결과
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
광택도(85°) 8 6 35 8 8
은폐율 97 98 90 97 97
내세척성(5000회) 이상없음 4,000회 박리 이상없음 1,500회
박리		 3,500회
박리
촉진내후성
(600시간Y)		 0.01 0.03 0.01 0.35 0.08
접촉각(°) 발수
(물)		 125 115 135 85 105
발유
(n-hexadecane)		 35 25 42 8 12
슬라이딩성 매우우수 양호 매우우수 없음 없음
본 발명에 따라 불소-실리콘계 에멀젼을 함유하는 실시예 1 내지 3의 도료는 내구성, 내후성, 발수성 및 발유성이 우수해서 오염물질이 도막에 붙지 않으며 슬라이딩성이 매우 우수하여 도막의 내오염성이 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명의 불소-실리콘계 도료는 외장용 도료로서 기본적으로 내화학성, 내후성, 내구성 및 내변색성이 우수하며, 특히 표면장력이 낮아 발수성, 발유성 및 윤활성이 우수하여 도막의 내오염을 향상시키는 효과를 나타낼 뿐만 아니라 도료의 재도장 간격이 늘어나면서 건물 유지 비용을 크게 절감하는 경제적인 도료로서 현재 건축물 외장재 신규 건물 및 보수 시장에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (9)

  1. 물 5 내지 20 중량%; 아크릴 모노머, 실리콘 폴리머 및 불소화합물을 4 : 1 : 2의 중량비로 혼합하여 60℃~80℃에서 5~8시간 동안 100~120rpm 속도로 교반 중합 반응하여 제조된 불소-실리콘계 에멀젼으로서 유리전이온도 Tg가 10~20℃인 불소-실리콘계 에멀젼 40 내지 50 중량%; TiO2 15 내지 30 중량%; 체질안료 5 내지 15 중량%; 증점제 0.1 내지 2.0 중량%; 및 첨가제 1.5 내지 3.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소-실리콘계 에멀젼의 불휘발분이 45%~50%인 것임을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소화합물이 불소를 함유하는 중합체, 공중합체 및 이들의 혼합물을 1종 이상 선택된 것임을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 불소화합물이 과불소알킬아크릴레이트, 불소아크릴레이트 및 불소알코올로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 폴리머가 아미노실란, 에폭시실란, 비닐실란 및 아크릴실란으로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 체질안료가 경질 탄산칼슘 또는 탈크인 것을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 증점제가 셀룰로오즈계 증점제 또는 우레탄계 증점제인 것을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제가 분산제, 동결방지제, 소포제, pH 조절제, 레벨링제 및 방부제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 내오염성이 우수한 불소-실리콘계 도료 조성물.
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