KR101137561B1 - 에어로젤 페인트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로젤(Aerogel)을 마이크로 시멘트 및 수용성 에폭시 등의 복합 재료로 혼화하여 도료화한 것으로써 에어로젤의 소수성 표면을 습윤화하고 물리적 점착을 통한 일체화된 결합체를 형성하여 에어로젤의 저밀도 나노 기공 구조를 그대로 유지함과 동시에 밀착, 치밀화하고 지지력을 강화하여 쉽게 실용화할 수 있게 한 것이 특징으로 전반적으로 수화 반응하고 수경화 진행된다.

에어로젤 페인트 마이크로시멘트 에폭시 수경화

Description

에어로젤 페인트 조성물{AEROGEL PAINT COMPOSITION}

본 발명은 에어로젤 기초 분말을 응용하여 실용화하기 위한 것으로써 소재의 우수한 특성을 유지하게 하고 여러 용도로 쉽게 적용할 수 있도록 하기 위해 에어로젤을 페인트화 한 기술로 개발하여 본 출원에 이르게 되었다. 최근에 지구 온난화에 따른 화석 연료의 사용을 줄이기 위한 에너지 절감에 대한 많은 연구가 이루어지고 있는 실정으로 에어로젤 소재의 개발과 그 소재를 2차적으로 응용 조합하고 활용할 많은 연구가 진행 중에 있다.

에어로젤은 초 경량성 및 소수성, 저 유전성, 고 비표면적과 나노 기공구조 등으로 인해 단열재, 방음재, 충격흡수용도와 우수한 전극 재료 등으로의 활용도가 매우 큰 우수한 특성을 갖고 있으나 그 고유 기능을 유지하게 하는 소수성으로 인하여 기타 재료와의 혼화성이 매우 낮아 이를 상용화하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 물과 기름과 같이 전혀 혼합이 되지 않는 이유로 이를 해결하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있고 반드시 이루어야 할 불가피 한 기술이다. 에어로젤 소재 자체로는 성형된 우레탄 및 판재 내부로 분말을 부어 충진을 하는 정도로 사용처가 한정되어 최첨단 신소재임에도 불구하고 그 분말 자체는 매우 제한적으로 사용된다. 그리고 에어로젤 혼화시 에어로젤 내부와 기타 재료가 화학적 반응 및 결합을 하게 되면 에어로젤의 고유 기능을 상실하므로 이 또한 중요 기술로 작용이 된다.

실리카 에어로젤의 예를 보면 기존의 석고 보오드형 및 일반 합성 수지계 단열재, 섬유질형 단열재는 에어로젤에 비해 열전도도 수치가 높고 화재에 취약한점 등이 문제점으로 지적되고 있어 새로운 개념의 단열 기술이 많이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 우수 특성의 에어로젤을 활용한 새로운 기술 접근이 필요하다.

현재 상용화된 제품은 에어로젤을 함유한 부직포형 외국산 블랭킷 시트가 여러 플랜트, 장비산업 등에 적용되고 있다. 판상형 패널 및 페인트류는 현재 상용화한 경우가 전무한 상태이고 이를 이루기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. 에어로젤 페인트와 패널에 대한 기술은 에어로젤을 지지하고 내구성을 높여 그 기능을 수행하게 하여야 하는데 우선은 에어로젤의 소수성으로 인한 기타 재료와의 혼화성이 낮아 이를 해결하지 못해 실용화에 어려움을 겪고 있고 이를 해결하기 위해 많은 다국적 기업 및 대기업, 공공 연구소 등에서 기술 개발을 하고 있는 실정이다.

경제성 및 효율성 면에서는 에어로젤을 함유한 일반 유,무기 복합 패널과 블랭킷 시트 타입 대비 페인트로 적용했을 경우 적용 범위가 넓으며 빠르고 간단하며 쉽게 적용할 수가 있어 장치 산업 외 여러 용도로 사용될 수 있을 것으로 판단 된다. 탄소 에어로젤 및 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤 또한 이를 페인트화하여 그 특성에 맞는 용도로 적용한다.

이에 대한 시급한 기술 개발이 이루어져야 할 현실이고 본 출원인도 이에 편성하여 본 발명에 이르게 되었다.

에어로젤을 상용화하기 위한 기술 개발로 인한 국내외 수십 건의 공개된 특허 기술이 있으나 에어로젤을 함유한 상태의 제품은 현재 외국산 블랭킷형의 단열재가 있는 것이 유일하다. 페인트 및 패널 형태의 상용화된 기술은 없는 상태로 이를 대비 비교하고 기준할 자료가 없는 것 또한 현실이다.

본 출원인의 2001년도에 다기능성의 수경화성 바름재 조성물에 대한 특허 출원의 분말 도료 기술이 기초 배경기술로 적용되며 마이크로 시멘트 등과 전체 도료의 강도를 높이기 위한 수단으로 나노 실리카 등을 적용한 기술개발 과정 또한 기초 기술로 적용된다. 에어로젤의 기공성과는 전혀 다른 미세 분말인 나노 실리카 또한 초 경량 소재로써 접목하기에 많은 어려움을 겪은 상태로 여러 개발과정을 통한 개량되고 진보된 기술로 본 출원에 이르게 되었다. 최근의 기술 개발로 인한 특허 출원 또한 배경 기술이 된다.

출원 특허

출원 번호 2008-0012697 / 2008-0023140 / 2007-0061025

2007-0062203 / 2009-0042942 / 2009-0079366

특허 등록 번호

특허 제10-0455622호 / 10-0803226호 / 10-0818039호

10-0864783호 / 10-0864784호

최우선 과제는 에어로젤을 기타 재료와의 친화력을 높여 어떠한 방식으로 '고형체를 형성 하느냐' 가 중요과제로 작용되고 그 고형체가 에어로젤과는 물리적인 표면 결합을 하여 그 고유 기능을 유지하게 하여야 하며 지지력과 부착력 강도 내구성 등 해결하여야 할 많은 과제가 있다. 각기 다른 공정의 초임계 건조 방식과 상압 건조 방식 등으로 제조된 에어로젤은 나노 기공구조를 유지하게 하기 위하여 에어로젤의 표면을 소수화하는 표면개질이 반드시 필요하므로 이 소수화로 처리된 에어로젤의 표면을 친수성 표면으로 변환시켜 고형체를 형성하는 기술이 중요 과제로 적용된다.

에어로젤 표면을 계면 활성제 등으로 이미 소수 처리된 표면을 개질하는 기술 출원 등이 있으나 아직까지는 어려운 기술로 인식되고 있고 이 또한 상용화한 경우가 없어 전반적으로 일체화된 경화체를 얻기가 어려운 것이 현실이다. 또한 에어로젤을 동일 조성물로 적용을 해도 체적 증가에 따라 예민하게 작용하여 기능의 손실을 초래하므로 조성 비율의 정확한 설정이 중요하다. 한가지 예로 전체 재료가 혼재된 상태에서 발포체 형성은 에어로젤이 산포하여 그 기능을 기대하기 어렵고 셀룰로스 계통 전분 또한 미세 통로를 형성하여 효율성이 낮아진다. 결론적으로는 혼화되는 조성물 및 조성비율이 매우 중요하며 에어로젤을 최대한 많이 함유하면서 에어로젤의 고유 특성을 유지하고 기존의 일반 도료와 동일한 수준 또는 그 이상의 작업성, 부착성, 내구성, 난연성, 친환경성 등을 갖추도록 하는 것이 해결하여야 할 과제들이다.

본 발명에서의 기본 혼화 방식은 전체 재료가 혼재된 상태에서 물을 사용하고 여기에 수용성 폴리머 에멀젼을 적용하여 에어로젤이 포함된 분말상에서 액상화로 진행을 하는 것이 특징으로 에어로젤을 제외한 기타 첨가 재료는 수화 반응을 하여 전체 바인드로 적용이 되고 에어로젤의 표면에 점착되어 밀착된 상태로 전체 경화가 진행되며 고형체를 형성하여 페인트 도막을 형성한다.

마이크로 시멘트 등 무기질 재료 등은 친수화 재료들로 물 투입시 바로 수분을 흡수하고 수화 반응하여 화학적 이온 교환이 진행되고 반면 에어로젤은 친화력이 매우 낮아 튕겨 나올려고 하는 현상으로 이 때문에 혼화하는 기술이 어려운 것으로 인식되고 있다. 유성계 적용시도 마찬가지이며 혼화하는 교반기의 회전 속도를 높이는 방법으로 시도를 하고 여압, 감압을 통한 방법으로도 적용하려 하나 이 또한 쉽지 않는 기술로 상용화하는데 어려움을 겪고 있는 현실이다.

본 출원에서는 이를 모두 해결하고 간단하게 수경화하는 방식으로의 기술 개발로 출원에 이르게 되었다.

기본적으로 출발부터 에멀젼 상태이면 혼화하기가 더 더욱 어려운 것이 경량성과 소수성을 가진 에어로젤이 에멀젼상의 표면위로 존재하여 혼화하기가 어렵고 그 소수성으로 혼합할 수가 없다. 본 출원에서는 에어로젤과 기타 유,무기 분말이 혼재된 상태에서 그 내부에 흡수성 폴리머이고 고분자 응집제인 폴리아크릴아마이드가 존재한 상태에서 물 및 수용성 에폭시의 함수 고형분의 투입으로 응집작용을 하며 서서히 분말상에서 겔화로 진행한다. 이는 매우 중요한 기술적 작용으로 적용되며 에어로젤이 가진 소수성의 반발력에 의한 재료 분리현상을 억제하고 모든 재료들을 에어로젤 주변으로 감싸고 끌어 당겨 에어로젤과는 물리적 점착 결합을 유도하고 기타 친수성 재료와는 에어로젤로 인해 결합력이 낮아 밀착하지 못하는 것을 연결하는 중요한 가교제의 역할을 한다. 에멀젼상으로 진행이 되어 점차 점성이 증가하여 모든 재료가 겔화로 진행되며 전체 재료가 밀착되고 일체화된 상태에서 마이크로 시멘트 등이 수화 진행되어 전체 도료의 도막을 형성한다. 교반시 친수성인 전체 재료가 수화 진행되고 유동화재의 작용으로 유동성이 증대한다. 점도가 높은 겔 상태에서 유동성이 좋은 겔 상태로 진행되며 이에 PAM은 시멘트 등의 다가의 금속 양이온이 존재하는 수용액 상태에서 수분을 배출하는 성질이 있어 양이온과의 이온 결합으로 인하여 결합력을 높인다. 전체 수경화 진행되며 에어로젤의 표면을 습윤화하고 점착되게 하여 혼합되고 화합된 도료 도막이 형성된다. 에어로젤의 취성인 강도 및 지지력을 해결하여 에어로젤이 포함된 고형체가 형성된다.

마이크로 시멘트 등의 인체 무해한 재료 등으로 기초 적용되며 물의 사용으로 수경화 진행되어 환경친화적이다. 또한 무기질계 재료를 주 바인드로 적용을 하므로 화재시 유독 가스로 인한 2차적 인명 피해를 줄일 수 있다. 내구성 면에서는 무기계 바인드들의 부족한 부분을 수용성 에폭시 등으로 보완하며 소량 사용으로 강도를 높인다.

본 발명에 의한 에어로젤 페인트는 에어로젤의 고유 물성을 그대로 유지하고 내구성 및 부착성 등을 가지므로 다용도로 적용할 수가 있고 작업성 또한 좋아 모든 재질에 쉽게 적용할 수가 있다. 기존의 페인트와 같은 방식으로 도장이 가능하다. 장치산업 및 장비, 전자 ,전기, 정밀기기, 보온 보냉용, 태양 전지용 모듈의 백 시트 및 태양광 시스템 등에 적용된다. 에어로젤이 함유된 블랭킷 및 패널에 비해 효율성이 높아 일반 주거지 등에도 적용 가능하고 모든 재질에 도장이 가능하다.

본 발명에 의한 에어로젤 페인트의 조성물과 조성비는 중량비(wt％)로

실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤의 재료 중 1종 이상 선택한 에어로젤 분말 5～25중량％.

물, 수용성 에폭시에멀젼, 스티렌부타디엔고무에멀젼의 재료 중 1종 이상 선택한 액상 3～54중량％.

마이크로 시멘트 15～35중량％.

반수석고 10～30중량％.

실리카 퓸 3～15중량％.

CSA팽창재 2～5중량％.

카본블랙 1～8중량％.

아크릴산 에스테르 재유화형 공중합 분말 1～15중량％.

폴리아크릴아마이드 0.5～3중량％.

산화마그네슘 5～20중량％.

규산칼슘 3～10중량％.

소디움 글리코네이트 분말 0.5～2.5중량％로 구성되는 에어로젤 페인트 조성물.

상술한 바와 같은 조성물로 이루어지고 에어로젤(aerogel)은 실리카, 탄소, 알루미나, 티타니아 에어로젤로 구성되고 초경량성 및 소수성, 나노 기공구조 등을 갖고 있는 기초 소재들로 단열, 방음, 충격 흡수용, 전극 재료, 담수화 설비 등에 활용도가 높은 재료로 본 발명에서는 주요 기능 물질로 적용이 된다. 이 소재들은 앞에서 언급한 바와 같이 우수한 특성에도 불구하고 자체적으로 사용하는데 어려운점이 많아 본 발명에서는 이를 적극 도입하여 기타 재료들과의 혼화로 지지력을 형성시켜 실용화를 할 수 있도록 한 것이다. 유기솔벤트 등의 혼화로 화학적 이온 결합을 하게 되면 그 고유 기능을 상실하므로 본 발명에서는 물의 사용으로 수경화 진행함으로써 그 기능을 유지시키고 쉽게 실용화할 수 있게 한 것이 특징이다. 구경 분포는 나노 구조의 분말로 이루어지고 마이크로 시멘트 외 기타 친수성이고 수경성인 재료와 혼재된 상태의 혼합 분말로 이루어진다. 에어로젤의 함량을 최대한 많이 투입되는 것이 중요하나 강도 및 내구성 측면을 고려하여 적정량 사용한다.

물 외 수용성 에폭시에멀젼, 스티렌부타디엔고무에멀젼은 고형분 비율이 50％ 이상의 수용성 합성 수지 재료로 기타 재료의 부족한 부분 즉, 부착성, 내구성, 방수성 등의 기능을 보완하는 역할을 한다. 물은 시멘트 등의 수경성 재료들의 수화시 필요한 수분을 충분히 공급한다. 물 외 에멀젼상은 적은량의 사용을 기본으로 하고 첨가 재료로의 역할을 한다.

마이크로 시멘트는 주 바인드로 적용이 되고 다량 사용시는 점도가 상승하여 부피팽창으로 인한 에어로젤의 기능을 방해한다. 소량 사용시는 강도를 기대하기 어렵다.

반수석고는 에어로젤이 혼재된 상태에서 물의 투입으로 빠른 결합체를 형성하게 하는 역할을 하나 기타 재료와 혼재된 상태에서는 자체 단독 사용보다 느린 진행이 이루어진다. 이 또한 과량시 체적 증가가 되며 소량 사용시 점도가 낮아 혼화가 잘 형성되지 않는다.

실리카 퓸은 소량이 사용되고 시멘트 등과 반응하여 도료 전체의 강도를 높이는 역할을 한다. 대량 사용시는 점도가 상승하여 부피 팽창을 하고 유동화재의 투입이 많아지므로 적정량을 사용한다.

CSA팽창재는 시멘트 경화시 수축에 의한 균열방지 역할을 한다. 적정량을 사용하고 과량시 오히려 도료 도막의 균열이 초래될 수 있다.

카본 블랙은 탄소 분말로 보강 작용을 한다.

아크릴산 에스테르 재유화형 공중합 분말은 재료간 접착력을 높이고 도장시 부착력을 높이는 재료로 적용되고 도장 표면을 매끄럽게 한다.

폴리아크릴아마이드는 상술한 바와 같이 물 투입시 겔화가 진행되어 재료간 점착력을 높이고 도장시 부착력을 높이는 기능으로 적용되며 도료 건조 경화후에는 그 자체 형체가 소멸된다.

산화마그네슘은 도료의 강도를 높이고 일부 점성을 갖고 있어 도장시 흘러 내림을 방지한다. 이 또한 적정 사용으로 체적 증가로 인한 에어로젤의 산포를 억제한다.

규산칼슘을 보강 기능으로 적용되고 글리콘산 나트륨은 유동성의 증대로 인한 감수제의 역할을 한다.

상술한 바와 같이 구성되어 이루어지고 교반기 2000rpm 이하로 5분 이상 혼합 교반하여 기존의 도료와 동일한 방법으로 도장한다.

Claims (1)

1. 본 발명에 의한 에어로젤 페인트의 조성물과 조성비는 중량비(wt％)로

   실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤의 재료 중 1종 이상 선택한 에어로젤 분말 5～25중량％.

   물, 수용성 에폭시에멀젼, 스티렌부타디엔고무에멀젼의 재료 중 1종 이상 선택한 액상 3～54중량％.

   마이크로 시멘트 15～35중량％.

   반수석고 10～30중량％.

   실리카 퓸 3～15중량％.

   CSA팽창재 2～5중량％.

   카본블랙 1～8중량％.

   아크릴산 에스테르 재유화형 공중합 분말 1～15중량％.

   폴리아크릴아마이드 0.5～3중량％.

   산화마그네슘 5～20중량％.

   규산칼슘 3～10중량％.

   소디움 글리코네이트 분말 0.5～2.5중량％로 구성되는 에어로젤 페인트 조성물.