KR102173210B1

KR102173210B1 - 에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법

Info

Publication number: KR102173210B1
Application number: KR1020200078332A
Authority: KR
Inventors: 김성규
Original assignee: (주)에스지산업개발; (주)케이티엔씨
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2020-11-03

Abstract

본 발명은 에너지 절감형 수성 도료조성물은 (a) 물 40 ~ 55중량%; (b) 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼 15 ~ 30중량%; (c) 불소수지 에멀젼 10 ~ 20중량%; (d) 소수성 실리카 에어로겔 5 ~ 10중량%; (e) 산화티탄 5 ~ 10중량%; (f) 경화제 0.5 ~ 2중량%; (g) 경화촉진제 0.1 ~ 5중량%의 비율로 포함하여 구성되며, 이를 이용한 방수도막 형성방법은 기재 상에 수용성 에폭시 또는 우레탄 수지를 도포하여 하도 도막을 형성하는 단계; 상기 하도 도막 상부에 수용성 우레탄 수지를 도포하여 중도 도막을 형성하는 단계; 상기 중도 도막 상부에 상기 에너지 절감형 수성 도료조성물을 도포하여 상도 도막을 형성하는 단계로 이루어진다.
본 발명에 의한 에너지 절감형 수성 도료조성물은 부착력이 우수한 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼을 주재로 하고, 이에 불소수지 에멀젼을 혼합함으로써 VOC 등의 유해물질을 방출하지 않으면서 내수성 및 내화성을 향상시킴과 동시에 열차단율 및 오염방지효과가 양호하고 내후성이 뛰어나며, 또한 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄 등을 첨가하여 낮은 열전도도에 의한 단열은 물론 차열기능을 통해 태양광선을 효과적으로 반사시킴으로써 건축물의 에너지 절감효과를 실현할 수 있으므로, 이를 이용하여 내구성이 탁월한 에너지 절감형 방수도막을 형성할 수 있는 효과가 있다.

Description

에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법{Energy saving water-born coating composition and manufacturing method of waterproofing coating layer using the same}

본 발명은 에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부착력이 우수한 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼을 주재로 하고, 이에 불소수지 에멀젼을 혼합함으로써 내수성, 내화성, 열차단율, 오염방지효과 및 내후성이 우수하며, 또한 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄 등을 첨가하여 단열은 물론 차열효과가 양호하고 환경 친화적인 에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법에 관한 것이다.

현재까지 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 방지대책과 자원의 유한성으로 인한 에너지 절감대책이라는 목적을 동시에 해결하기 위한 방안을 수립하기 위한 다양한 프로젝트가 수립되고 있으며, 특히 열에너지의 적절한 제어에 의한 생활에너지의 감소와 쾌적하고 안락한 환경을 제공하기 위해 건물이나 차량 등에 대한 이러한 열에너지의 제어수단이 부여된 도막제나 열차단 필름이 많이 사용되고 있다.

위와 같이, 점차로 심각해지는 지구 온난화에 대응하기 위한 에너지 수급 문제로 인하여 단열 및 차열소재 개발의 필요성이 대두됨에 따라 친환경적이고 경제성이 뛰어난 도막제를 개발함으로써 건축물, 공장, 설비, 제품 등의 에너지 소비를 절감하고 CO₂ 발생을 저감시킬 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.

그러나 종래의 도막제는 경화 시 휘발성 유해물질의 방출과 경화 후의 다양한 환경요소, 특히 산성비, 자동차 배기가스에 의한 질소산화물, 황산화물 및 해양환경에서의 염소이온 등에 의한 열화현상과 자외선에 의한 황변현상, 갈라짐, 부풀어 오름 현상에 의해 발생되는 내구성 저하 문제가 심각한 실정이며, 이를 해결하기 위해 세계적인 환경보호 추세와 더불어 중금속이나 휘발성 유기화합물(VOC)의 방출이 없는 친환경적인 도막제의 개발을 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.

과거에는 방수도막을 형성함에 있어 태양열 흡수를 통한 실내온도 상승과 열전달을 방지하기 위한 단열에 주안점을 두었지만, 최근 들어 태양광선 반사에 의한 열반사의 개념이 적용된 효과적인 에너지 절감대책이라는 관점에서 단열뿐만 아니라 차열성능을 갖춘 소재가 필요하게 되었다.

이에 따라, 반사율이 높은 차열안료를 사용하여 태양광선 중 적외선을 반사하여 지붕의 온도 상승을 억제하고 실내로 열이 전달되는 것을 차단하는 방법, 도막 내에 중공구체를 적용하여 소지로의 열전도를 방해함으로써 축열을 방지하고 완화시키는 방법, 유무기 바인더에 나노물질 등을 첨가하여 투과되는 태양광 에너지를 선택적으로 차단하는 기술 등과 같은 다양한 연구가 제시되고 있다.

그러나 상기와 같은 차열도료는 하절기에 국한되어 냉방에너지 절감효과가 있지만 동절기에는 오히려 태양광이 반사되어 난방비가 늘어나는 역효과를 가져오는 문제점이 발생되고, 내후성 저하로 도장공정의 추가로 인한 제조비용이 상승하는 문제점이 있으며, 도포 후 건조되는 과정에서 도료에 포함되어있는 휘발성 유기화합물은 물론 사용된 고분자 에멀젼의 미중합 단량체(monomer)가 배출되어 환경오염은 물론 아토피와 같은 인체에 해로운 영향을 발생시킨다.

한편, 콘크리트 표면에 방수도막을 형성시키기 위해 통상적으로 사용되는 방수도료는 수성 또는 유성의 액상 형태의 방수제를 소지면에 도포하고 수분 또는 용제를 건조하여 방수성 피막을 형성시키는 제제를 말하는데, 그중 환경 친화적인 에멀젼(Emulsion) 수지형 수성 도료는 에멀젼 수지를 바탕면에 덧칠하여 방수층을 만드는 방수도료로서, 도료가 경화될 때 자체 수축으로 인한 균열이 적은 점은 장점이지만 재질이 연약하여 면적이 넓은 장소에는 시공이 어려운 점이 문제점이라 할 수 있다.

지금까지 단열 또는 차열효과를 갖는 대표적인 선행기술을 살펴보면, 특허 제10-1167108호에서는 평균입자크기가 0.1 내지 5㎛이고 코어 부분에 공기가 채워져 중공구 형태를 갖는 에멀젼상의 불투명 폴리머 10 내지 30중량%; 유색 및 충진안료 10 내지 30중량%; 수지바인더를 고형분으로 5 내지 35중량%; 첨가제; 및 물을 포함하는 단열 수성 도료조성물로서, 상기 수지바인더는 아크릴계 에멀젼, 아크릭실리콘계 에멀젼, 우레탄계 에멀젼, 불소계 에멀젼, 실리콘 무기질계 수지, 실리카졸계 수지 및 유기무기하이브리드 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 수지바인더인 것을 특징으로 한다.

또한, 특허 제10-1197732호는 건축물 옥상에 단열성 및 방수성을 부여하기 위한 건축물 옥상 단열ㆍ방수 시공방법에 있어서, 옥상 표면을 세척하고 바탕조정하여 시공을 준비하는 전처리단계(S100)와; 상기 전처리단계(S100) 처리한 옥상의 표면에 시멘트 100중량부에 대하여, 기능성 도료 10~15중량부와 물 10~15중량부가 혼합된 단열 도료(10)를 도포하는 도료도포단계(S200)와; 상기 도료도포단계(S200) 처리한 단열 도료(10) 표면에 불소수지계 공중합체 수지를 포함하는 세라믹 코팅 도료(20)를 도포하는 상도단계(S300)를 포함하여 구성되고, 상기 기능성 도료는 물 100중량부에 대하여 아크릴계 공중합체 수지 20~60중량부와; 실리카 에어로젤 0.5~3중량부와; 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone) 공중합체 수지 1~10중량부와; 분산제 0.5~3중량부와; 경화제 0.5~5중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 건축물 옥상 단열ㆍ방수 시공방법을 제안하고 있다.

또한, 특허 제10-1225069호에서는 도료조성물 총량을 기준으로 할 때, 평균입자크기가 10~150㎛이고 코어부분에 공기가 채워진 중공구 형태를 가지면서 그 표면이 칼슘카보네이트로 코팅된 분말 폴리머 0.3~5중량%; 차열 유색안료 2~15중량%; 수지 바인더를 고형분으로 40~75중량%; 충진안료 10~45중량%; 및 첨가제와 희석제 1~10중량%를 포함하는 도료조성물로서, 상기 분말 폴리머는 스타이렌 아크릴릭 폴리머, 메틸 메타크릴릭 폴리머, 헥사메틸 메타크릴릭 폴리머 및 아크릴로니트릴 메타크릴로 니트릴 메틸메타크릴레이트 코폴리머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 특허 제10-1310324호에서는 콘크리트 구조물 벽체의 외부표면에 단열성을 부여하기 위한 건물 내ㆍ외벽 단열 시공방법에 있어서, 벽체의 표면을 세척하고 바탕 조정하여 시공을 준비하는 전처리단계(S100)와; 상기 전처리단계(S100) 처리한 벽체의 표면에 시멘트 100중량부에 대하여, 기능성 도료 10~15중량부와 물 10~15중량부가 혼합된 단열 도료(10)를 2~5mm의 두께로 도포하는 도료도포단계(S200)와; 상기 도료도포단계(S200) 처리한 단열 도료(10) 표면에 불소수지계 공중합체 수지를 포함하는 세라믹 코팅 도료(20)를 도포하는 상도단계(S300);를 포함하여 구성되고, 상기 기능성 도료는 물 100중량부에 대하여, 아크릴계 공중합체 수지 20~60중량부와; 실리카 에어로젤 0.5~3중량부와; 폴리에테르에테르케톤(Polyether ether ketone) 공중합체 수지 1~10중량부와; 분산제 0.5~3중량부와; 경화제 0.5~5중량부;를 포함하여 구성되며, 상기 단열 도료(10)는 시멘트 100중량부에 대하여, 0.05~0.2mm의 평균입자크기를 갖는 펄라이트 70~80중량부를 더 포함하여 구성되며, 상기 기능성 도료는 기능성 도료에 포함되는 물 100중량부에 대하여, 액상의 폴리불화에틸렌계 공중합체 수지 0.5~7중량부를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 건물 내ㆍ외벽 단열 시공방법을 개시하고 있다.

위와 같이, 현재까지 환경 친화적인 수성 도료 또는 방수도막에 적합한 다양한 수지를 선택함과 동시에 수많은 단열 및 차열소재를 첨가하고 있으나, 본 발명에서는 가장 효율적인 방수성능을 발휘하기 위해 부착력이 우수한 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼을 주재로 하고, 이에 불소수지 에멀젼을 혼합함으로써 내수성과 내화성 및 열차단율이 높고 오염방지효과와 내후성을 향상시키게 되며, 또한 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄 등을 첨가하여 단열은 물론 차열효과를 가짐으로써 제반 물리적, 화학적 특성이 종래보다 탁월한 에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법을 개발하여 본 발명을 완성한 것이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1167108호(공고일자 2012년07월20일) 대한민국 등록특허공보 제10-1197732호(공고일자 2012년11월14일) 대한민국 등록특허공보 제10-1225069호(공고일자 2013년01월24일) 대한민국 등록특허공보 제10-1310324호(공고일자 2013년10월16일)

본 발명의 목적은 부착력이 우수한 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼을 주재로 하고, 이에 불소수지 에멀젼을 혼합함으로써 내수성과 내화성, 열차단율 및 오염방지효과가 높고 내후성이 탁월하며, 또한 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄 등을 첨가하여 단열은 물론 차열효과를 향상시킴으로써 물리적, 화학적 특성이 우수하고 환경 친화적인 에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 에너지 절감형 수성 도료조성물은 (a) 물 40 ~ 55중량%; (b) 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼 15 ~ 30중량%; (c) 불소수지 에멀젼 10 ~ 20중량%; (d) 소수성 실리카 에어로겔 5 ~ 10중량%; (e) 산화티탄 5 ~ 10중량%; (f) 경화제 0.5 ~ 2중량%; (g) 경화촉진제 0.1 ~ 5중량%; (h) 소포 및 흐름성 개선제 0.2 ~ 2중량%의 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 불소수지 에멀젼(c)은 평균입자크기 0.1 ~ 1㎛인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 에멀젼, PTFE와 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene, HFP)의 공중합체(FEP) 에멀젼, PTFE와 에틸렌(Ethylene)의 공중합체 에멀젼 중에서 선택되는 단독 또는 2종 이상을 사용하며, 상기 소수성 실리카 에어로젤(d)은 입자의 직경 0.1 ~ 5㎛인 실리카 에어로젤 입자 표면에 알킬기, 디메틸기, 트리메틸기, 디메틸 실록산기, 메타크릴기 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 소수성 작용기로 표면 개질된 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 상기 경화제(f)는 아디프산 디히드라지드(Adipic acid Dihydrazide)를 사용하며, 상기 경화촉진제(g)는 구리 아세틸아세테이트, 바나듐 아세틸아세테이트, 코발트 아세틸아세테이트, 망간 아세틸아세테이트, 철 아세틸아세테이트 중에서 선택된 금속 아세틸아세테이트; 나프텐산 철, 나프텐산 코발트, 옥틸산 코발트, 옥틸산 망간 중에서 선택된 금속 비누; 바나듐 화합물; 황화코발트, 황화구리, 황화망간, 황화니켈, 황화철 중에서 선택된 황화금속; N,N-디메틸아닐린, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 에틸렌디에탄올아민, N,N-디메틸톨루이딘 중에서 선택된 아민을 1종 또는 2종 이상 사용한다.

상기 에너지 절감형 수성 도료조성물을 이용한 방수도막 형성방법은 기재 상에 수용성 에폭시 또는 우레탄 수지를 도포하여 하도 도막을 형성하는 단계; 상기 하도 도막 상부에 수용성 우레탄 수지를 도포하여 중도 도막을 형성하는 단계; 상기 중도 도막 상부에 상기 에너지 절감형 수성 도료조성물을 도포하여 상도 도막을 형성하는 단계로 이루어진다.

본 발명에 의한 에너지 절감형 수성 도료조성물은 부착력이 우수한 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼을 주재로 하고, 이에 불소수지 에멀젼을 혼합함으로써 VOC 등의 유해물질을 방출하지 않으면서 내수성 및 내화성을 향상시킴과 동시에 열차단율 및 오염방지효과가 양호하고 내후성이 뛰어나며, 또한 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄 등을 첨가하여 낮은 열전도도에 의한 단열은 물론 차열기능을 통해 태양광선을 효과적으로 반사시킴으로써 건축물의 에너지 절감효과를 실현할 수 있으므로, 이를 이용하여 내구성이 탁월한 에너지 절감형 방수도막을 형성할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 에너지 절감형 수성 도료조성물 및 이를 이용한 방수도막 형성방법에 대하여 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 에너지 절감형 수성 도료조성물은 (a) 물 40 ~ 55중량%; (b) 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼 15 ~ 30중량%; (c) 불소수지 에멀젼 10 ~ 20중량%; (d) 소수성 실리카 에어로겔 5 ~ 10중량%; (e) 산화티탄 5 ~ 10중량%; (f) 경화제 0.5 ~ 2중량%; (g) 경화촉진제 0.1 ~ 5중량%의 비율로 포함하여 구성된다.

본 발명에서의 ‘에멀젼(Emulsion)’이라는 용어는 두 액체를 혼합할 때 한쪽 액체가 미세한 입자로 되어 다른 액체 속에 분산되어 있는 계(系)를 말하며, 본 발명에서는 강한 인장력과 탄성 및 콘크리트 모르타르 기재에 뛰어난 부착력을 부여한 친환경적인 수분산성 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼(b)을 주성분으로 하여 도료에 적용함으로써 유기용제를 사용하지 않고도 이음매 없는 탄성 도막을 형성할 수 있고 우수한 내수성과 콘크리트 구조물의 수축팽창에 의해 도막이 갈라지거나 손상을 방지하는 특성을 갖는다.

본 발명에서 사용되는 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼(b)은 우레탄 수지를 제조하고 일부 비닐 모노머와 혼합하여 이를 3가 아민 중화 후에 물을 수지에 첨가하여 수분산하며, 이후 쇄연장제를 첨가하여 일부 이소시아네이트를 쇄연장시키고 유화제를 사용하지 않고 비닐 모노머와 가교제 및 개시제를 첨가하여 공중합하여 얻어지는 것으로서, 코어(core) 부분은 아크릴 성분으로 이루어지고 쉘(shell) 부분은 우레탄 성분으로 이루어짐을 특징으로 하며, 이에 관한 자세한 반응기전은 본 발명의 요지를 흐리게 할 우려가 있어 생략한다.

상기 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼(b)은 도장 단계에서의 레올로지를 최적화할 수 있도록 공중합된 가교 아크릴-우레탄, 가교화된 우레탄이 공존하는 수분산 수지로서, 도료조성물 총중량을 기준으로 물의 함량 40 ~ 65중량%에 비해 절반 정도인 15 ~ 30중량% 범위로 함유함으로써 충분한 부착력을 발현시킬 수 있음을 확인하였다.

다음으로, 불소수지 에멀젼(c)은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 에멀젼, PTFE와 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene, HFP)의 공중합체(FEP) 에멀젼, PTFE와 에틸렌(Ethylene)의 공중합체 에멀젼 중에서 선택되는 단독 또는 2종 이상을 사용하는 것이 주재와의 우수한 분산성으로 인하여 혼화성이 양호하며, 또한 균일한 분산성과 부착성, 그리고 오염방지효과와 같은 표면특성을 고려하여 평균입자크기 0.1 ~ 1㎛인 것이 적합하다.

상기 불소수지 에멀젼(c)은 미립자 형태로 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼(b)에 균일하게 혼합되어 햇빛 반사율이 높고 우수한 내오염성과 장기적인 내후성을 발휘하게 된다. 즉, PTFE는 많은 불소와 탄소 분자들을 사슬 혹은 그물 형태로 결합하여 크고 안정된 분자구조를 형성하여 질기고 강하며, 표면이 매끄러운 것이 특징이다. 대부분의 화학약품에 대해 내화학성이 있고 -270 ~ 250℃에 이르는 넓은 온도 범위에서도 물리적 형태를 유지한다.

상기 PTFE는 ‘테프론(Teflon)’이란 상품명으로 알려져 있는 결정성 수지로서, 최대 260℃에서의 장기 사용에 견디는 내열성이 있고 내약품성, 전기 절연성, 고주파 특성, 비점착성, 낮은 마찰계수, 난연성 등의 물성이 탁월한 것으로 알려져 있으며, 본 발명에서는 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼(b)과의 혼화성을 감안하여 도료조성물 총중량을 기준으로 10 ~ 20중량% 범위로 함유함으로써 방수도막을 형성하기 위한 상도 도료로서의 물성을 획기적으로 개선한 것이다.

그리고 소수성 실리카 에어로겔(d)의 첨가량은 도료조성물 총중량 대비 5 ~ 10중량%로서, 상기 소수성 실리카 에어로겔(d)의 첨가량이 5중량%보다 낮으면 보온성 개선효과가 미미해지며, 10중량%를 초과하는 경우에는 도료조성물 내에서의 분산성이 저하되고 코팅 표면이 불균일해지는 등의 문제가 발생될 우려가 있다.

본 발명에서 사용되는 소수성 실리카 에어로겔(d)은 단열성, 경량성, 소광특성 등을 구현하기 위한 것으로, 일반적으로 알려져 있는 공법으로 제조된 어떠한 에어로겔도 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 입자의 직경이 0.1 ~ 5㎛인 것이 바람직한데, 입자 직경이 0.1㎛ 미만인 경우에는 공정 중 비산으로 인한 문제가 발생될 수 있고 5㎛를 초과하는 경우에는 과다한 응집 또는 상분리 현상이 발생되거나 피막 형성시 표면이 불균일해지고 핀홀(pinhole)이 발생될 수 있어 바람직하지 못하다.

이러한 문제점을 근원적으로 개선하기 위해 본 발명에서 사용되는 소수성 실리카 에어로겔(d)은 친수성을 띄는 실리카 에어로겔 입자 표면의 일부 또는 전부에 소수성을 띄는 작용기가 도입하기 위해 별도의 표면 처리(또는 표면 개질)를 통해 소수성 작용기(친유성)가 도입되어 표면이 소수성을 띄게 되므로 분산성이 우수하고 방수도막 자체의 내수성이 보강되어 인장강도가 증대된다.

상기 실리카 에어로겔 입자의 표면에 도입될 수 있는 소수성 작용기는 알킬기, 디메틸기, 트리메틸기, 디메틸 실록산기, 메타크릴기 등이 될 수 있으며, 예를 들면, 실리카 에어로겔의 제조공정에서 온도와 압력을 조절하여 유기실란 화합물로 처리함으로써 실리카 에어로겔 입자 표면에 디메틸기가 포함되는 것이다. 실제로 소수성 작용기가 도입된 실리카 에어로겔(d)은 도료조성물 내에서 50㎛ 이하의 일정한 크기로 응집된 응집체(aggregate)를 형성하면서 균일하게 분산됨에 따라 방수도막 전체 표면에 걸쳐 단열성이 양호하게 되는 것이다.

참고로, 에어로겔(Aerogel)은 고체 상태의 물질로 겔(Gel)에서 액체 대신 기체로 채워져 있는 형태로 초저밀도의 물성을 나타내기 때문에 단열효과가 높은 것으로 잘 알려져 있으나, 초임계 건조 및 상압 건조방식을 통하여 제조되는 저밀도 나노기공 구조의 미세 분말이므로 단열, 방음 및 우수한 전극 재료로의 활용도가 높은 신소재이며, 그 자체적으로는 고유기공을 유지하는 초경량성과 친수성에 따른 기타 재료와의 혼화성이 매우 낮아 이를 응용하여 제품화하는데 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다.

이러한 에어로겔은 열전달이 일어나는 세가지 방법인 대류, 전도, 복사를 무력화시키기 때문에 탁월한 단열성능을 보이는데, 대류를 효과적으로 차단하는 이유는 공기가 기공을 통해 순환할 수 없기 때문이며, 특히 실리카 에어로겔이 전도를 효과적으로 차단하는 이유는 실리카가 열전도가 잘되지 않는 물질이기 때문이다.

그러나 낮은 밀도에 높은 공극을 가지는 일반적인 실리카 에어로겔 입자를 용제가 포함되어 있지 않는 수지에 단순 배합할 경우, 점도와 밀도 차이에 의하여 쉽게 혼합되지 않고 혼합 시에도 오랜 시간이 걸리며, 혼합된 뒤에도 실리카 표면의 -OH기에 포집되거나 입자에 공극에 위치하는 수분의 영향으로 미반응된 프리폴리머(prepolymer)가 -NCO와 반응하여 기포가 발생되는 현상이 관찰된다.

이는 단순한 소포제의 증량, 교반 속도와 시간의 조정 등의 방법으로는 이러한 기포의 형성을 효과적으로 제어할 수 없으며, 만일 기포가 유지된 상태로 저장할 경우, 실리카 에어로겔 입자의 표면특성 저하로 도료의 부착력 및 점도 등에 문제가 발생되는 것으로 확인되었다.

이를 위해서는 상기 에어로겔(d)과 n-부탄올을 1 : 2 ~ 5의 중량비로 혼합한 후 진공상태에서 3시간 동안 감압하고 에어로겔 중의 수분을 상기 n-부탄올로 용매 치환하여 에어로겔에 포함된 수분을 제거한 다음, 120℃의 드라이 오븐(dry oven)에서 3 ~ 7일 동안 건조하고 상온까지 냉각시킴으로써 흡착된 수분이 완전히 제거된 소수성 실리카 에어로겔(d)을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 산화티탄(e)(TiO₂)은 물에 불용인 무색의 결정으로 태양광선 차단효과와 내후성을 향상시키기 위해 도료조성물 총중량을 기준으로 5 ~ 10중량% 범위로 첨가되는데, 5중량% 미만이면 차열성능 개선에 큰 영향을 미치지 못하며, 10중량%를 초과하는 경우에는 무기물의 함량이 많아 점도가 지나치게 높게 되어 작업성과 부착력이 저하하는 문제가 있다. 상기 산화티탄(e)은 색상을 밝게 하여 백색도 유지, 은폐율을 향상시킬 뿐만 아니라 기타 착색 안료나 체질 안료와의 혼화성이 우수하여 방수도막을 형성하는 도료의 색채 명암과 표면 착색력을 제공하기에도 유리하다.

상기 산화티탄(e) 외에도 자외선 차단능력을 갖는 물질인 산화주석(Tin Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), Al₂O₃(Aluminium Oxide), ZnO(Zinc Oxide) 등을 산화티탄(e)의 함량 범위 내에서 복합적으로 포함하여도 도료의 물성에 나쁜 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었으며, 추가적으로 소포제, 증점제 또는 안료 등과 같은 일반적인 첨가물을 도료의 물성을 저해하지 않는 범위 내에서 첨가할 수도 있다.

또한, 본 발명에서는 도료조성물 총중량을 기준으로 경화제(f)와 경화촉진제(g)를 각각 0.5 ~ 2중량%, 0.1 ~ 5중량% 비율로 포함함으로써 인장력 및 도막강도를 더욱 향상시키게 되며, 이로 인하여 우레탄 수지로 이루어지는 중도 도막 또는 콘크리트 소지면과의 부착력을 강화시킬 수 있다.

상기 경화제(f)는 아디프산 디히드라지드(Adipic acid Dihydrazide)를 사용하는 것이 가장 바람직하며, 상기 경화촉진제(g)는 환경 호르몬을 유발하는 디옥틸 프탈레이트(Dioctyl Phthalate)와 같은 물질이 아니라면 구체적인 종류를 한정하는 것은 아니지만, 구리 아세틸아세테이트, 바나듐 아세틸아세테이트, 코발트 아세틸아세테이트, 망간 아세틸아세테이트, 철 아세틸아세테이트 중에서 선택된 금속 아세틸아세테이트; 나프텐산 철, 나프텐산 코발트, 옥틸산 코발트, 옥틸산 망간 중에서 선택된 금속 비누; 바나듐 화합물; 황화코발트, 황화구리, 황화망간, 황화니켈, 황화철 중에서 선택된 황화금속; N,N-디메틸아닐린, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 에틸렌디에탄올아민, N,N-디메틸톨루이딘 중에서 선택된 아민을 1종 또는 2종 이상 사용하는 것이 바람직한 것으로 연구되었다.

상기 경화제(f) 및 경화촉진제(g)은 그 한계점을 벗어나지 않는 범위 내에서 복합 사용함으로 인하여 그로부터 제조되는 도료조성물은 상온에서의 경화가 용이해지며, 신율, 도막강도, 내충격성, 내마모성 및 내화학성이 우수한 친환경 방수도막을 제공할 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명에서는 소수성 실리카 에어로젤(d)이 적용됨에 따라 수지의 흐름성이 저하되고 교반에 따라 발생된 기포가 쉽게 사라지지 않을 수 있는바, 이를 개선하기 위하여 실리콘계 또는 아크릴계의 소포 및 흐름성 개선제(h)를 도료조성물 총중량 대비 0.2 ~ 2중량% 범위로 적용함으로써 이를 해소할 수 있으며, 이상과 같이 제조되는 도료조성물은 점도 700 ~ 1000cps(25℃), 고형분 함량 40 ~ 70중량% 정도의 특성을 갖는다.

상기와 같은 조성으로 얻어지는 에너지 절감형 수성 도료조성물은 본 발명의 핵심적인 특징으로 제시하는 상도 도막을 형성하며, 이를 이용한 방수도막 형성방법은 기재 상에 수용성 에폭시 또는 우레탄 수지를 도포하여 하도 도막을 형성하는 단계; 상기 하도 도막 상부에 수용성 우레탄 수지를 도포하여 중도 도막을 형성하는 단계; 상기 중도 도막 상부에 상기 에너지 절감형 수성 도료조성물을 도포하여 상도 도막을 형성하는 단계로 이루어지며, 그로 인한 건조도막의 두께는 기재의 종류와 상태에 따라 하도 도막 20 ~ 100㎛, 중도 도막 1,000 ~ 3,000㎛, 상도 도막 30 ~ 500㎛의 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

위와 같은 방수도막 형성방법으로 인하여 하도 및 중도 도막은 신율 2 ~ 3㎜ 이내의 우수한 물성과 방수효과를 구현함에 따라 그 상부에 형성되는 상도 도막과의 단단한 결합력에 의해 내구성이 탁월한 에너지 절감형 방수도막을 얻을 수 있다.

상기 하도 도막 및 중도 도막에 공통적으로 사용될 수 있는 수용성 우레탄 수지는 고탄성 및 고방수성 도막을 형성하고 고점착성으로 인해 계면분리를 억제하고 고정력을 증대시키게 되며, 또한 하도 도막으로 사용될 수 있는 수용성 에폭시 수지는 내열성 및 전기 절연성 향상을 목적으로 사용되는 것으로, 본 발명에서는 비스페놀형 에폭시 수지, 지방족 에폭시 수지, 글리시딜에스테르계 에폭시 수지, 글리시딜아민계 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 및 크레졸노볼락형 에폭시 수지를 들 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 에너지 절감형 수성 도료조성물을 실험한 실시예를 살펴보기로 하되, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 쉽게 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

[실시예 1 ~ 3], [비교예 1 ~ 3]

물(a), 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼(b), 불소수지 에멀젼(c), 소수성 실리카 에어로겔(d), 산화티탄(e), 경화제(f), 경화촉진제(g), 소포 및 흐름성 개선제(h)를 균일하게 혼합하여 수성 도료조성물을 제조하였으며, 상기 소수성 실리카 에어로겔(d)은 입경 0.1 ~ 5㎛인 에어로겔과 n-부탄올을 1 : 3의 중량비로 혼합하고 진공상태로 3시간 동안 감압한 후 120℃의 dry oven에서 3일 이상 건조하여 흡착된 수분을 완전히 제거하였다. 또한, 불소수지 에멀젼(c)은 PTFE와 HFP의 공중합체(FEP) 에멀젼, 경화제(f)는 아디프산 디히드라지드, 경화촉진제(g)는 N,N-디메틸아닐린, 소포 및 흐름성 개선제(h)는 BYK1799(VOC-free silicone-containing defoamer)를 사용하였으며, 각 구성성분의 배합을 달리하는 도료조성물의 중량비를 아래 [표 1]과 같은 조성으로 실시하였다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3
(a)	45	50	50	45	50	50
(b)	15	20	25	35	20	20
(c)	20	15	10	-	15	15
(d)	7	5	5	7	-	10
(e)	8	5	5	8	10	-
(f)	1	1	1	1	1	1
(g)	3	3	3	3	3	3
(h)	1	1	1	1	1	1

[실험예 1]

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 따라 각각 제조된 도료조성물에 대하여 인장강도, 신장율, 인열강도 및 태양방사방사율 등을 아래와 같은 방법으로 수회 측정하였으며, 그 시험결과에 대한 평균치를 [표 2]에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3
인장강도(N/㎟)	1.78	1.5	1.45	0.92	1.5	1.5
신장율(%)	324	358	376	399	352	355
인열강도(N/㎜)	7.2	7.0	6.9	5.2	7.0	6.8
태양방사방사율(%)	83	79	78	72	62	44

○ 인장강도 : KS F 3211 : 2015

○ 신장율 : KS F 3211 : 2015

○ 인열강도 : KS F 3211 : 2015

○ 태양방사방사율 : KS L 2514 : 2011

[실험예 2]

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 따라 각각 제조된 도료조성물에 대하여 평판비교법으로 열전도율(단열효과)을 측정하고, 그 시험결과를 [표 3]에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3
초기 온도(℃)	22.5	22.5	22.5	22.5	22.5	22.5
10분후 온도(℃)	23.9	24.7	25.0	25.2	40.2	27.8
30분후 온도(℃)	28.1	30.5	31.3	31.5	48.3	33.3
60분후 온도(℃)	33.6	35.8	36.2	36.5	52.1	38.4
120분후 온도(℃)	36.3	38.6	38.8	40.0	54.6	42.7

○ 열전도율 : KS L 9016 : 2010

상기 [표 2]에서와 같이, 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3의 시험결과를 비교해 볼 때, 불소수지 에멀젼을 첨가하지 않은 비교예 1의 경우는 인장강도와 인열강도 등의 물성이 떨어지는 현상이 관찰되었고, 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄을 각각 사용하지 않은 비교예 2, 3의 경우에는 태양방사방사율이 저하되었으며, 특히 산화티탄을 첨가하지 않은 비교예 3은 실시예에 비해 태양방사방사율이 매우 낮아서 차열효과가 현저히 떨어짐을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 [표 3]의 결과에서와 같이, 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄을 각각 사용하지 않은 비교예 2, 3의 경우에는 실시예에 비해 단열효과가 저하되는 현상을 나타내고 있고, 특히 소수성 실리카 에어로겔을 첨가하지 않은 비교예 2는 매우 낮은 단열성능을 보임에 따라 도료조성물을 시공함으로 인한 차열 및 단열효과를 발휘하기 어렵다는 사실을 확인할 수 있다.

결론적으로, 본 발명은 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼에 불소수지 에멀젼을 혼합함으로써 도료조성물의 물성을 향상시키고 내후성을 10년 이상 지속시킬 수 있을 뿐만 아니라 이에 소수성 실리카 에어로겔과 산화티탄을 적정한 비율로 조합하여 탁월한 차열성능과 단열성능을 동시에 발휘하는 에너지 절감형 수성 도료조성물을 구현하였다. 아울러 본 발명의 방수도막 형성방법은 하도 도막과 중도 도막의 재질 특성에 따른 2 ~ 3㎜의 신율을 감안하여 상기 에너지 절감형 수성 도료조성물을 상도 도막으로 형성함으로써 완벽한 방수효과를 실현할 수 있다.

따라서 본 발명의 에너지 절감형 수성 도료조성물은 인체에 무해한 수성 도료를 제공함으로써 태양열 반사에 의한 차열성, 낮은 열전도도에 의한 단열성, 우수한 방수성, 내열성, 난연성, 내화학성 및 내후성 등의 물성을 발현할 수 있어 여름철에는 건축물 옥상이나 벽체로부터 내부로 유입되는 열을 줄이고 겨울철에는 건축물 내부로부터 옥외로 유출되는 열을 줄여주는 기능성 도료로서 다양한 용도와 형태로 사용되어 질 수 있다.

Claims

(a) 물 40 ~ 55중량%;
(b) 아크릴-우레탄 공중합체 에멀젼 15 ~ 30중량%;
(c) 평균입자크기 0.1 ~ 1㎛인 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 에멀젼, PTFE와 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene, HFP)의 공중합체(FEP) 에멀젼, PTFE와 에틸렌(Ethylene)의 공중합체 에멀젼 중에서 선택되는 단독 또는 2종 이상의 불소수지 에멀젼 10 ~ 20중량%;
(d) 입자의 직경 0.1 ~ 5㎛인 실리카 에어로젤 입자 표면에 알킬기, 디메틸기, 트리메틸기, 디메틸 실록산기, 메타크릴기 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 소수성 작용기로 표면 개질된 소수성 실리카 에어로겔 5 ~ 10중량%;
(e) 산화티탄 5 ~ 10중량%;
(f) 아디프산 디히드라지드(Adipic acid Dihydrazide) 경화제 0.5 ~ 2중량%;
(g) 경화촉진제 0.1 ~ 5중량%;
(h) 소포 및 흐름성 개선제 0.2 ~ 2중량%;
의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 수성 도료조성물.
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제1항에 있어서,
상기 경화촉진제(g)는 구리 아세틸아세테이트, 바나듐 아세틸아세테이트, 코발트 아세틸아세테이트, 망간 아세틸아세테이트, 철 아세틸아세테이트 중에서 선택된 금속 아세틸아세테이트; 나프텐산 철, 나프텐산 코발트, 옥틸산 코발트, 옥틸산 망간 중에서 선택된 금속 비누; 바나듐 화합물; 황화코발트, 황화구리, 황화망간, 황화니켈, 황화철 중에서 선택된 황화금속; N,N-디메틸아닐린, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 에틸렌디에탄올아민, N,N-디메틸톨루이딘 중에서 선택된 아민을 1종 또는 2종 이상 사용하는 것을 특징으로 에너지 절감형 수성 도료조성물.
기재 상에 수용성 에폭시 또는 우레탄 수지를 도포하여 하도 도막을 형성하는 단계;
상기 하도 도막 상부에 수용성 우레탄 수지를 도포하여 중도 도막을 형성하는 단계;
상기 중도 도막 상부에 제1항 및 제4항 중의 어느 한 항에 기재된 에너지 절감형 수성 도료조성물을 도포하여 상도 도막을 형성하는 단계;
로 이루어지는 방수도막 형성방법.