KR101137617B1 - 분말 도료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로젤(Aerogel)을 마이크로시멘트 등의 기타 재료로 혼합하여 분말 도료로 구성한 것으로써 소수성 에어로젤의 표면을 수화 시 습윤, 점착, 침저되게 한 것이 특징으로 에어로젤을 압축 밀착시켜 부피 팽창에 따른 체적 증가를 최소로 줄이고 강도, 지지력, 부착력 등을 부가하여 도료의 물성을 구비한 수경화 방식의 에어로젤이 함유된 분말 도료 조성물에 관한 것이다. 보다 간편하고 쉽게 에어로젤을 활용, 조합, 응용화 하여 실생활에 접하게 한 것으로 친환경적이고 에너지 절감에 기여한다.

에어로젤 마이크로시멘트 반수석고 산화마그네슘 폴리아크릴아마이드

Description

분말 도료 조성물{POWDER COATING COMPOSITION}

본 발명은 초경량, 고비표면적, 저밀도 나노기공구조 등의 우수한 특성을 갖는 에어로젤이 그 소수성으로 인하여 무기계 및 유기용매와의 복합화가 쉽지 않아 실용화하는데 많은 기술적 어려움을 겪고 있는 실정으로 소수성 에어로젤의 표면을 습윤화하고 친수화되게 하여 기타 수경성, 친수성 재료와의 친화력을 높여 물리적 점착으로 밀착하고 일체화되게 한 것이다. 에어로젤의 고유 물성을 그대로 유지하게 하고 보다 간편하게 실용화되게 한 에어로젤이 함유된 분말 도료 조성물에 관한 것이다.

지금까지 신소재 에어로젤의 제조 및 이를 응용화하기 위한 많은 연구개발이 이루어지고 있으나 실제 이를 상용화한 경우는 더물고 외국산 블랭킷 형태의 시트가 단열용으로 국내외에 유일하게 판매되고 있다. 최근 다행히도 국내에서 기초 소재인 실리카 에어로젤을 초임계방식이 아닌 상압건조방식으로 제조하여 일부분 상용화가 이루어지고 있다. 에어로젤을 활용하여 응용화하기 위한 여러 문헌 및 수십 건의 공개 특허가 있으나 이를 제품화한 경우는 더물고 지금도 많은 연구개발이 이루어지고 있는 실정이다. 대기업 및 공공연구소 등에서 많은 연구를 하고 있으나 에어로젤의 우수 특성인 초소수성, 초경량성으로 인하여 이를 기타 재료와 혼합하여 도료화한다는 것이 매우 어려운 기술로 인식되고 있다. 에어로젤을 자체로 적용할 수 있으면 괜찮겠지만 단독 적용에는 강도가 약한점 등의 문제로 기타 재료와의 복합화가 요구되고 있다. 에어로젤이 일반 친수성 및 유기용매와는 그 소수성으로 인하여 전혀 어울리지 않고 반발력에 의해 튕겨나가는 현상 등이 발생하므로 복합화된 고형체 형성이 어려운 상태로 이를 해결하고 실생활에 에어로젤을 쉽게 적용하고자 본 발명에 이르게 되었다.

1차 기초 소재인 에어로젤을 2차 응용 제품화하기 위한 공개 특허를 보면 나무판 및 금속패널 사이 분말충진 및 내외층 공간형성과 밀봉으로 충진, 이미 제품화된 에어로젤 시트상에 보강용 섬유, 합성수지 등의 접착. 고주파 플라즈마 발생. 에어로젤을 함유할 섬유 등에 크랙 발생. 발포체 형성. 고온, 고압, 여압, 감압, 진공, 가열, 적용할 튜브상에 에어로젤을 감싸는 방법 등의 여러 적용방법을 제시하고 있으나 실제 실용화한 경우는 극히 더물고 전무한 상태라고 볼 수도 있다. 문헌 및 공개 특허를 보더라도 에어로젤의 합성이 매우 어려운 기술로 인지하고 있고 지금도 이를 극복하기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다.

본 출원인이 최근 들어 수년 간의 분말 도료 관련 및 에어로젤을 응용화하기 위한 기술개발 과정과 많은 실패의 과정을 기초로 하고 본 발명에 이르게 되었다.

마이크로 시멘트가 함유된 수경성 친환경 분말 도료 및 에어로젤이 관련된 특허 출원 및 특허 등록 내용은 다음과 같다.

특허 출원 번호 2007-0061025(거절 결정) / 2007-0062203(단열성 플라스틱의 제조방법. 공개 전 취하) / 2008-0012697 / 2008-0023140 / 2009-0042942 / 2009-0079366 / 2009-0083791 / 2009-0086804 / 2009-0105874

특허 등록 번호 10-0455622호 / 10-0803226호 / 10-0818039호 / 10-0864783호 / 10-0864784호

본 발명의 목적은 에어로젤 소재를 응용하여 2차 제품화하기 위한 것으로 에어로젤의 초경량성, 초소수성으로 인해 기타 유무기계와의 복합화가 쉽지 않아 이를 해결하고 도료화하고자 본 출원에 이르게 되었다. 우선 해결하여야 할 첫 과제는 에어로젤의 소수성 표면을 친수화되게 하는 것이 중요한 점으로 이를 해결하기 위해서 에어로젤의 소수성 표면을 기타 재료와의 화학적 이온 결합이 아닌 물리적 점착을 하게 하여야 한다. 유기솔벤트의 혼입으로 화학적 이온 결합을 하게 되면 건조 수축과 같은 에어로젤의 물성 변화를 초래해 그 고유 특성을 기대하기 어렵다. 이는 매우 중요한 과제로 이를 극복하지 못하면 응용화 하기가 매우 어렵다.

두 번째 과제는 고형체 형성이 이루어져도 에어로젤이 갖고 있는 고유부피 및 혼화합하기 위한 기타 재료의 고유부피, 이온 결합후의 잔존부피로 인한 체적증가가 당연히 형성되는데 이를 최대한 줄이고 압축, 밀착하여야 효율성의 극대화를 기대할 수 있다. 이 또한 극복하지 못하면 실용화 및 제품화 하지 못한다. 그 이유는 기로형성, 열교현상 등으로 에어로젤의 고유특성 저하는 물론 부착력, 강도, 지지력, 내구성의 부실을 초래하므로 중요하게 다루어야 할 해결 과제이다. 발포체 형성과 같은 부피팽창을 하게 되면 에어로젤이 서로 이격되어 그 성능을 기대하기 어렵다.

세 번째 과제는 에어로젤의 혼입량을 최대로 높여야 하는 문제이다. 이 또한 당연한 과제이다. 에어로젤의 함량이 증가되면 그 부피로 인한 전체 도료의 체적증가 및 점도상승과 교반불량, 재료분리, 도막의 균열발생, 작업성 저하, 뭉침현상, 에어로젤 산포 등으로 강도, 지지력, 부착력, 내구성의 저하를 초래하므로 이 또한 반드시 해결해야만 한다. 에어로젤의 함량을 최대한 함유하면서 일반 유성도료와 동일한 수준이 되어야만 한다.

네 번째 과제는 상술한 과제가 해결이 되어도 현장 작업성이 좋지 않으면 시간적, 경제적 손실을 초래하므로 해결해야 할 중요 과제이다. 수화할 물의 혼입으로 쉽게 교반되고 도포 시의 흘러내림 현상 및 퍼짐현상이 없이 부착력이 좋고 한번의 시공으로 이루어지고 균질하게 도포되며 도료의 도막이 미려하고 평활하게 형성되어야 한다. 모든 재질과의 상용성도 좋아야 하고 친환경적 재료의 조성 또한 중요하다.

다섯 번째 과제는 실리카 에어로젤의 예를 보면 적용 범위가 섭씨 400도 이상 고온 및 극저온에도 도막의 균열 및 박리현상이 없어야 하므로 조성재료의 성분비율이 중요하고 특히 에어로젤과 혼화재료의 상호비율이 매우 중요하다. 또한 혼입 수량도 중요히 다루어야 한다.

상술한 바와 같이 기본적인 해결 과제를 기재했고 이를 모두 해결해야만이 에어로젤이 함유된 도료로 실용화될 수가 있다. 이에 본 출원인이 이를 해결하고자 본 발명에 이르게 되었다.

본 출원 청구항에 기재된 분말 도료 조성물 및 조성비를 표기한다.

조성물 및 조성비는 중량비(wt％)로

실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤, 바나디아 에어로젤 중 1종 이상 선택하는 에어로젤 분말 3～40중량％.

마이크로 시멘트 30～70중량％.

반수석고 10～40중량％.

실리카 퓸 3～20중량％.

제올라이트, 덱스트린, 에테르전분 중 1종 이상 선택 0.1～20중량％.

CSA팽창재 3～10중량％.

아크릴산 에스테르 공중합 재분산성 분말 1～30중량％.

산화마그네슘 1～35중량％.

폴리아크릴아마이드 0.1～5중량％.

폴리나프탈렌설포네이트, 폴리멜라민설포네이트 중 1종 이상 선택 0.1～5중량％의 조성물과 조성비로 구성되는 분말 도료 조성물.

위 기재한 바와 같고 과제의 해결 수단으로써 에어로젤이 함유된 분말 도료 조성물로 이를 해결하게 되었다.

본 발명의 에어로젤이 함유된 분말 도료 조성물은 쉽고 간편하게 실용화되게 한 것으로서 섭씨 400도 이상의 고온 및 극저온의 단열, 방음용도로의 적용이 가능하고 우수한 전극 절연 재료 및 전기화학소재, 전자소재의 코팅 등으로 적용된다. 플랜트, 장비산업, 태양광설비, 연료전지의 부속소재, 반도체소자 및 단열, 방음을 필요로 하는 일반주거지 및 산업체 전반에 적용 가능하다. 기존의 블랭킷형 시트 및 무기 패널, 합성수지 패널의 부착식 방법과 다른 일반 유기페인트와 같은 방식의 도장이 가능하고 난연성, 내구성 및 작업성이 용이하므로 적용범위가 넓고 경제성 및 효율성이 극대화될 수 있다.

본 청구항의 조성물과 조성비율로 이루어지고 아래와 같이 설명한다. 실시예는 따로 기재하지 않으며 각 재료의 과량 및 소량으로 표기한다.

에어로젤(Aerogel)은 고비표면적, 내열성, 구조적 안정성, 저유전율 및 저밀도 나노기공구조를 갖는 초경량성의 공기보다 3배 밖에 무겁지 않는 나노 사이즈 분말로 그 고유 물성으로 인해 단열, 방음 등 활용도가 높은 기초 소재이나 공정상 그 기공을 유지하기 위한 소수성 표면 개질이 반드시 필요한 소재로 소수성기를 갖는 에어로젤이 본 발명에 도입된다. 친수성 에어로젤은 수분 접촉에 의한 물성 변화가 적은 내화용으로 제한적으로 적용된다. 특히 실리카 에어로젤은 하소 실리카 분말 및 침강성 실리카와는 전혀 다른 기공을 갖고 있어 단열, 방음 용도로의 활용도가 높고 폴리머계인 탄소 에어로젤 또한 고비표면적을 가지고 있으며 순수한 실리카 에어로젤보다 강도가 조금 나은 편이고 우수한 전극 재료로써 전기 화학적 용도로 이온을 융착시켜 제거하는 염수 제거 담수화 공정 및 이온 폐수 공정에 활용도가 큰 소재이다. 알루미나, 티타니아, 바나디아 에어로젤은 혼합 금속산화물로 순수 실리카 에어로젤의 취성을 보완하고 높은 압축율 및 압축강도와 미세구조로 열안정성 등을 갖는다. 이를 본 발명에 도입하고 물리적 점착으로 그 물성을 살려 그 기능을 수행하게 한다. 소수성에서 친수성 에어로젤로 다시 표면 개질된 에어로젤도 필요시 적용한다.

마이크로 시멘트는 일반 포틀랜트 시멘트에 비해 순수 무기질계 재료로 저독성의 인체에 무해한 미립형 시멘트로 주바인드로 적용이 된다. 전체 도료의 강도, 지지력, 내구성을 높이는 역할을 한다. 과량 적용 시는 전체 혼재 재료와의 부조화로 도막이 부실해지고 오히려 강도가 저하될 수 있다. 물 혼입 혼화 시 부피팽창이 올 수 있다. 도막의 표면이 미려하게는 나올 수 있으나 기본적으로는 강도가 약해 균열을 초래한다. 소량 시 또한 그 주요 기능을 기대하기 어렵다. 예를 들면 일반 콘크리트 타설 시의 물, 모래, 골재, 시멘트의 적정 비율과 동일하게 이해할 수 있다.

반수석고는 이수석고에 비해 점착력 결합 강도가 높고 수화 시 경화 속도가 빠르게 진행되고 일부 부피팽창을 하여 에어로젤 등을 점착한다. 또한 도막 형성 시 강도를 높인다. 과량 시는 뭉침현상으로 점도가 상승하여 오히려 재료 간 분리현상이 발생될 수 있고 건조 시 빠른 건조로 도막의 균열 및 박리현상이 발생될 수 있다. 소량 시는 도막의 강도가 약하고 수화시 전체 에멀젼의 점도가 낮고 도장 시 도막이 흘러 내릴 수 있다. 부피팽창과 다른 적정 점도를 유지해야만 도료화할 수 가 있다.

실리카 퓸은 마이크로 시멘트의 강도를 보완하는 기능으로 적용된다. 과량 시는 그 자체 부피팽창으로 인하여 도료의 전체 체적증가를 가져 오고 유동성이 줄어 작업성이 좋지 않고 재료 간 분리현상으로 오히려 강도가 저하된다. 소량 시는 강도가 약하고 도막의 균열발생이 우려된다. 이 또한 강도를 높이기 위한 최대 적용하되 적정량을 사용한다.

제올라이트, 덱스트린, 에테르전분 등은 전체 도료의 충진, 흡착, 점착역할로 적용되고 적정량을 사용한다. 특히 덱스트린, 에테르 전분의 적용은 에어로젤과 기타 재료와의 점착력을 배가하는 역할을 하고 각 재료와의 혼화성을 좋게 하나 과량 시 점도상승 및 체적증가가 의해 도료의 강도 발현에 방해가 될 수 있다. 적정량 및 소량 적용이 바람직하다.

CSA팽창재는 마이크로 시멘트 페이스트에 에트링자이트의 생성으로 공극에 셀룰로오스의 형성과는 다른 미세한 침상형 콜로이드상을 형성하여 도료의 주바인드인 마이크로 시멘트의 경화 시 건조 수축에 의한 균열을 방지한다. 이는 곧 전체 도료의 균열을 방지함과 같다. 과량 시는 오히려 균열이 발생될 수 있고 소량 시 또한 마찬가지이다.

아크릴산 에스테르 공중합 재분산성 분말은 전체 도료의 점착력을 높이고 도막을 미려하고 묻어나지 않게 하며 평활하게 하고 피도면과의 부착력을 높이고 균열을 방지하는 역할을 한다. 그러나 도료의 고온 적용 시 자체적으로 변색되고 박리될 수 있다. 이는 전체 도료에 영향을 미치므로 적정량을 적용한다. 과량 시는 그 자체의 미세구경 및 피막형성으로 에어로젤과 기타 재료와의 혼합이 형성되지 않고 점도가 상승한다. 뭉침현상 및 균열을 초래한다. 소량 시는 무기계와 에어로젤 간의 결합력이 낮아져 내구성이 낮아진다.

산화마그네슘은 넓은 표면적을 갖고 있어 특히 폴리아크릴아마이드와 반응하며 에어로젤과 기타 재료가 서로 점착한 상태에서 점성을 낮추고 침전이 일어나 압축되어 점도를 상승시킨다. 체적증가에 따른 부피팽창과 다르게 압축, 밀착되어 수경화 진행한다. 결과적으로 이로 인해 강도가 높아진다. 과량 시는 점도상승 및 도료의 표면이 거칠어지고 소량 시는 반응 후의 폴리아크릴아마이드가 많이 잔존하여 PAM 고유의 흡수성으로 인해 수분을 머금고 있어서 점성이 낮아지지 않으며 부피팽창으로 인해 뭉침현상 등으로 도막이 부실해질 수 있다.

폴리아크릴아마이드는 에어로젤과 각 재료가 혼재된 상태에서 물이 투입되면 일단 수분을 흡수하고 점성이 점차로 증대하여 서서히 '겔' 상태로 진행된다. 이러한 현상으로 소수성 에어로젤의 표면이 습윤화되어 기타 수경성 친수성 재료들이 에어로젤의 표면을 감싸는 형태로 변하며 점착 및 밀착이 일어나고 이후 폴리아크릴아마이드가 마이크로 시멘트 등의 칼슘 및 마그네슘 등의 2가 이상의 다가의 금속염과의 이온 교환으로 머금은 수분을 배출하고 점도가 감소하여 에어로젤과 기타 재료가 점착한 상태에서 침전이 일어난다. 이러한 현상으로 인해 친수성 수경성 재료들은 에어로젤과의 점착으로 반발력을 줄이고 수화반응으로 에어로젤을 물리적으로 감싸고써 점도가 있는 액상화가 이루어지고 수경화가 서서히 진행된다. 이로 인해 일반 도료와 같은 방식의 도포가 가능하다. 이후 일체화된 고형체가 형성된다. 과량 시는 다가 금속염과의 부조화로 반응후 잔존하여 점도상승, 체적증가 및 뭉침현상이 발생될 수 있다. 소량 시는 점착력이 약해 전체 재료를 혼화할 수가 없다. PAM의 피막은 다가의 금속염과 반응 없이 그대로 유지되면 오히려 그 피막으로 인하여 에어로젤과 기타 재료를 혼합할 수가 없으며 금속염과 반응하여 머금은 수분을 일부 배출하므로 마이크로 시멘트, 석고, 산화마그네슘 등의 재료 조성비율을 매우 중요하게 다루어야 한다. 수분의 일부 배출 후에도 점성을 유지하므로 도료의 점도를 조절한다.

폴리나프탈렌설포네이트, 폴리멜라민설포네이트는 수량을 줄이고 유동성을 증대시키는 역할을 하며 과량 시는 유동성의 증대로 에어로젤이 산포될 수 있으며 도포 시 흘러내림 현상이 발생될 수가 있고 소량 시는 점도의 상승으로 뭉침현상이 발생되어 도료화할 수가 없다. 수화할 적정 혼입 수량을 감안하여 적정량 적용으로 일반 도료와 동일한 유동성을 가지도록 한다.

상술한 바와 같은 조성물로 구성되며 소수성 에어로젤과 기타 친수성 재료가 매우 예민하게 작용하므로 에어로젤의 투입량을 최대로 하면서 기타 재료의 비율이 과량, 소량이 아닌 적정량을 적용하고 도포하여 도막을 완성한다. 전체 재료의 중량 1기준 대비 물 중량 0.8～3.0의 혼입으로 교반기 3000rpm이하의 5분 이상 교반을 통해 분말에서 액상으로 이루어지고 일반 페인트와 동일한 방법으로 도장한다.

Claims (1)

1. 실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤, 바나디아 에어로젤 중 1종 이상 선택하는 에어로젤 분말 3～40중량％.

   마이크로 시멘트 30～70중량％.

   반수석고 10～40중량％.

   실리카 퓸 3～20중량％.

   제올라이트, 덱스트린, 에테르전분 중 1종 이상 선택 0.1～20중량％.

   CSA팽창재 3～10중량％.

   아크릴산 에스테르 공중합 재분산성 분말 1～30중량％.

   산화마그네슘 1～35중량％.

   폴리아크릴아마이드 0.1～5중량％.

   폴리나프탈렌설포네이트, 폴리멜라민설포네이트 중 1종 이상 선택 0.1～5중량％의 조성물과 조성비(wt％)로 구성되는 분말 도료 조성물.