KR102292684B1 - 저마찰형 방오도료 조성물 및 이를 이용하여 형성된 방오 도막 - Google Patents

저마찰형 방오도료 조성물 및 이를 이용하여 형성된 방오 도막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 수지, 유기실란 화합물을 표면 개질재로 사용하여 개질시킨 소수성 흄드 실리카, 용제, 저분자 실리콘 오일, 안료 및 첨가제를 포함하는 저마찰형 방오도료 조성물에 관한 것으로, 도막의 탄성계수를 향상시켜 운항 중에 발생하는 해양생물의 부착을 원천적으로 방지하며, 도막의 낮아진 표면에너지와 향상된 탄성계수의 상호작용으로 이미 부착된 해양생물의 탈착이 기존 방오도료 대비 쉽게 이루어지는 방오도료 조성물을 제공한다.

Description

저마찰형 방오도료 조성물 및 이를 이용하여 형성된 방오 도막{Foul release type paint composition and antifouling coating film formed using same}
본 발명은 선박의 선속 저하 및 연료 사용량 증가의 주원인으로 작용하는 해양생물의 부착을 방지할 목적으로 사용되는 방오도료에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 운항 중에 발생하는 해양생물의 부착을 원천적으로 방지하고 부착된 해양생물의 쉬운 제거가 가능한 저마찰형 방오도료 조성물 및 이를 이용하여 형성된 방오 도막에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
선박과 해양 구조물은 항시 정박 및 운항 중에 있으며, 해수 침지부의 경우 다양한 해양생물과 접촉하고 있다. 특히 선박 운항 중 상기 구역에 해양생물이 부착되면 표면 거칠기가 증가되고 이로 인해 진행 방향에 대한 마찰 저항이 증가하여 단기적으로는 시운전 과정에서 보증 속도 미달을 야기하고 장기적으로는 운항 중 선속이 저하되는 문제가 발생하며, 저하된 선속을 기준 수준으로 유지하기 위해 연료 사용량의 증가되는 문제로 이어진다.
따라서 선박 운항 중 해수 침지부에 해양생물의 부착 방지 및 쉬운 제거를 통해 표면 거칠기를 완화하여 이로 인해 발생하는 선속 저하 문제의 해결과 동시에 연료 사용량을 감소할 수 있도록 방오도료를 적용하고 있다.
종래의 방오도료는 Tin-free SPC(Self Polishing Copolymer, 자가연마형) 또는 FR(Foul Release, 저마찰형) 등이 있으며, 현재는 주로 Tin-free SPC 제품이 많이 적용되고 있으나 상기 제품에 사용되는 Cu(copper) 기반의 방오제가 일정량 이상 사용될 경우, 해양 생태계에 악영향을 미치고 있어 일부 국가에서는 일정량 이상 Cu 방오제가 첨가된 방오도료의 사용 제한하고 있다. 이와 같은 문제로 인해 FR 타입 방오도료는 Tin-free SPC 제품보다 방오 성능이 떨어짐에도 불구하고 재차 각광받고 있는 실정이다.
FR 타입 방오도료에 주로 사용되고 있는 수지는 표면 에너지가 낮으며, 탄성계수가 높은 재료인 실리콘 고분자를 사용하며, 이외에 저분자 실리콘 오일, 용제, 안료 및 첨가제 등을 첨가하여 구성된다. 상기 수지를 활용한 방오도료는 재료 자체의 낮은 표면에너지를 통해 해양생물의 부착을 어렵게 하거나, 부착이 되더라도 운항 중에 쉽게 제거될 수 있도록 설계되었으나, 미세 해양생물이 부착될 경우 제거가 어렵고 또한, 미세 해양생물이 부착된 구역에 추가적인 해양생물의 부착이 연쇄적으로 발생하여 선박 표면의 거칠기의 증가로 인한 선속 저하 문제가 여전히 남아있다.
1. 한국공개특허 제10-2018-0079965호 (2018.07.11) 2. 일본공개특허 제57-158269호 (1982.09.30)
이에 본 발명은 도막의 탄성계수를 향상시켜 운항 중에 발생하는 해양생물의 부착을 원천적으로 방지하며, 도막의 낮아진 표면에너지와 향상된 탄성계수의 상호작용으로 이미 부착된 해양생물의 탈착이 기존 방오도료 대비 쉽게 이루어지는 방오도료 조성물을 제공하고자 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 실리콘 수지, 유기실란 화합물을 표면 개질재로 사용하여 개질시킨 소수성 흄드 실리카, 용제, 저분자 실리콘 오일, 안료 및 첨가제를 포함하는 저마찰형 방오도료 조성물을 제공한다.
또한 상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여, 상기 소수성 흄드 실리카를 53.6 내지 68 중량부, 상기 용제를 70 내지 120 중량부, 상기 저분자 실리콘 오일을 3 내지 40 중량부, 상기 안료를 17 내지 40 중량부, 및 상기 첨가제를 3 내지 25 중량부 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 소수성 흄드 실리카는 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane), 헥사메틸디실라잔(Hexamethyldisilazane), 알킬트리알콕시실란(Alkyltrialkoxysilane) 및 트리알킬알콕시실란(Trialkylalkoxysilane)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 유기실란 화합물을 표면 개질재로 사용하여 개질시킨 소수성 흄드 실리카인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 저마찰형 방오도료 조성물로 형성된 방오 도막을 제공한다.
또한 상기 방오 도막은 표면에 소수성 흄드 실리카에 의한 나노-마이크로 크기의 복합 구조가 균일하게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 강철 기재; 상기 강철 기재 상에 방청도료 조성물로 형성된 방청 도막; 및 상기 방청 도막 상에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 저마찰형 방오도료 조성물로 형성된 방오 도막;을 포함하는 선박 또는 해수 침지 구조물을 제공한다.
본 발명에 따른 방오도료는 종래의 저마찰형 제품에 사용되는 실리콘 수지에 소수성 흄드 실리카를 배합하여 도막의 표면에너지를 낮춤과 동시에 탄성계수를 향상시켜 선박 운항 중 해양생물의 초기 부착을 원천적으로 방지하고 부착된 해양생물에 대한 쉬운 탈착 효과를 제공한다.
본 발명에 따른 방오도료를 적용함으로써 운항 과정에서의 선속 미확보, 연료 사용량 증가 등의 문제를 예방할 수 있으며, 또한 방오제를 활용한 방오작용을 하는 SPC 타입과 달리 표면의 특성 및 재료에 의한 방오작용으로 SPC 타입의 방오도료 대비 장기간의 유효 수명(service life)을 제공한다.
도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 흄드실리카의 개질 반응식을 나타내었다.
도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 방오 도막이 형성된 모식도를 나타내었다.
도 3에 본 발명의 일실시예에 따른 방오 도막 표면 거칠기 형상을 나타내었다.
본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한 본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 저마찰형 방오도료 조성물은 해양 생태계에 악영향을 미치는 Cu 기반의 방오제를 사용하지 않으며, 실리콘 수지에 소수성 흄드실리카의 첨가하여 도막의 표면에너지를 낮추고 탄성계수의 향상을 통해 운항 중 해수 침지부에 부착된 해양생물에 대한 향상된 제거(탈리) 효과를 부여하고 더불어 해양생물의 부착을 원천적으로 방지하여 운항 시 선속을 확보할 수 있다.
더욱 구체적으로 본 발명에 따른 저마찰형 방오도료 조성물은 실리콘 수지에 나노 크기의 소수성 흄드 실리카를 첨가를 통해 도막 표면에 나노-마이크로 크기의 복합 구조가 균일하게 형성되어 도막의 소수성을 향상시킴과 동시에 표면에너지를 낮추는 역할을 한다. 또한, 소수성 흄드 실리카가 첨가되어 도막의 탄성계수를 향상시켜 운항 중에 발생하는 해양생물의 부착을 원천적으로 방지하며, 도막의 낮아진 표면에너지와 향상된 탄성계수의 상호작용으로 이미 부착된 해양생물의 탈착이 기존 방오도료 대비 쉽게 이루어지는 효과를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 저마찰형 방오도료 조성물은 실리콘 수지, 소수성 흄드 실리카, 용제, 저분자 실리콘 오일, 안료 및 첨가제를 포함한다.
상기 실리콘 수지는 통상적인 방오도료 조성물로 사용되는 실리콘 수지를 사용할 수 있으나, 낮은 표면 에너지와 높은 탄성계수를 가지는 고분자인 polydimethylsiloxane(PDMS) 또는 hydroxyl terminated polydimethylsiloxane(히드록시말단 PDMS) 수지를 사용하는 것이 좋다.
상기 소수성 흄드 실리카는 나노 크기의 흄드실리카를 유기실란 화합물을 표면 개질재로 사용하여 소수성 개질시킨 안료로서, 상기 안료의 평균 입자 사이즈는 150 내지 250nm이다. 상기 유기실란 화합물은 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane), 헥사메틸디실라잔(Hexamethyldisilazane), 알킬트리알콕시실란(Alkyltrialkoxysilane) 및 트리알킬알콕시실란(Trialkylalkoxysilane)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 상기 유기실란 화합물은 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane) 및 헥사메틸디실라잔(Hexamethyldisilazane) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 좋다.
상기 안료를 첨가하여 도막을 형성하게 되면 평균 40 내지 60㎛의 조도를 갖는 나노-마이크로 크기의 복합 구조를 형성하여 이를 통해 도막의 소수성이 향상되고 이로 인해 부식 인자의 침투를 억제하여 도막의 방식성능 또한 향상된다. 상기 흄드실리카의 개질 반응의 일실시예를 도 1에 나타내었다.
상기 소수성 흄드 실리카는 상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 53.6 내지 68 중량부 포함되며, 바람직하게는 58 내지 63 중량부 포함되는 것이 좋다.
상기 용제는 통상적인 방오도료 조성물에 사용되는 용제를 사용할 수 있으나, 톨루엔(Toluene) 또는 자일렌(Xylene)을 사용하는 것이 좋다. 상기 용제는 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 70 내지 120 중량부 포함되며, 바람직하게는 85 내지 110 중량% 포함되는 것이 좋다. 사용되는 용제가 70 중량부 미만일 경우 도료의 점도가 높아 도장 작업성을 확보하기 어려우며, 120 중량부를 초과할 경우 도료의 낮은 점도로 인한 새깅(sagging) 등의 도장 결함을 초래할 수 있다.
상기 저분자 실리콘 오일(Silicone based oil)은 통상적인 방오도료에 사용되는 오일 종류를 사용할 수 있으나, 분자량(g/mol)이 1000 이하인 실리콘 오일을 사용한다. 예를 들어, [SiO(CH3)2]5, Si5O4(CH3)12, [SiO(CH3)2]6, [SiO(CH3)2]7, Si8O7(CH3)18, [SiO(CH3)2]8, [SiO(CH3)2]9, [SiO(CH3)2]10 로 구성된 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
상기 저분자 실리콘 오일은 실리콘 수지 100 중량부 대비 3 내지 40 중량부의 양을 유지하여야 하며, 바람직하게는 20 내지 36 중량부 포함하는 것이 좋다. 방오도료 제조과정에서 오일이 첨가됨으로써 도료의 유연성(flexibility) 등과 같은 물성 및 방오성능의 향상을 기대할 수 있다.
상기 안료는 착색과 및 도막의 내구성, 살오름성 확보를 위하여 첨가되며, 착색안료 및 체질안료를 포함한다. 적색의 방오도료 구현을 위하여 착색안료로 ferric oxide(Fe2O3) red 등을 사용할 수 있고, 도막의 내구성 확보를 위하여 체질안료로 Titanium dioxide(TiO2) 등을 사용할 수 있다. 상기 안료는 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 17 내지 40 중량부 포함되고, 바람직하게는 25 내지 36 중량부 포함하는 것이 좋다.
기타 안료의 분산 안정성, 침강 방지 및 하부 도막과의 부착력 향상을 위한 실란계 커플링제, 침강 방지제, 소포제 등의 첨가제를 포함할 수 있으며, 첨가제는 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 3 내지 25 중량부 포함되고, 바람직하게는 15 내지 20 중량부 포함되는 것이 좋다.
상기 실리콘 수지를 방오도료의 조성물로 사용할 경우, 하부 도막과의 부착성 및 내구성을 확보하기 위해 실리콘 수지 대비 5 중량% 미만의 실란계 커플링제(coupling agent)를 사용하는 것이 좋다.
상기 조성물의 제조는 상온에서 실리콘 수지 대비 일정 함량의 소수성 흄드실리카를 첨가하여 안료가 균일하게 분산될 때까지 교반한 후에 첨가제를 첨가하여 5분 내지 10분간 교반을 추가로 진행하여 배합한다.
본 발명에 따른 저마찰형 방오도료 조성물은 선박 또는 해수 침지부의 강철 기재 상에 도포 및 건조되어 방오 도막을 형성할 수 있다. 바람직하게는 강철 기재(1) 상에 방청도료 조성물을 이용하여 방청 도막(2)을 형성한 후 방청 도막 상에 본 발명에 따른 저마찰형 방오도료 조성물을 이용하여 방오 도막(3)을 형성하는 것이 좋다.
도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 방오 도막이 형성된 모식도를 나타내었다. 방청 도막(2)은 강철 기재(1)에 부식 저항성을 부여함과 동시에 강철 기재(1)와 방오 도막(3) 간의 부착력을 부여한다. 또한 도 3에 본 발명의 일실시예에 따른 방오 도막 표면 거칠기 형상을 나타내었다.
본 발명에 따른 저마찰형 방오도료 조성물을 이용하여 형성된 방오 도막(3)은 방오도료 조성물에 첨가된 마이크로 크기의 안료(31)는 살오름성 및 색상을 부여함과 동시에 마이크로 크기의 표면 거칠기를 형성한다. 또한 마이크로 크기의 안료와 소수성 흄드실리카(32)의 상호작용을 통해 나노-마이크로의 크기의 복합 구조의 거칠기가 형성되어 도막의 표면에너지를 낮추고 또한, 첨가된 소수성 흄드실리카(32)에 의해 도막 내부가 더욱 조밀하게 형성됨에 따라 탄성계수가 향상되어 해양생물의 부착을 원천적으로 방지함과 동시에 부착된 해양생물을 쉽게 탈착시킨다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 저마찰형 방오도료 조성물로 형성된 방오 도막으로서,
    상기 저마찰형 방오도료 조성물은 실리콘 수지, 유기실란 화합물을 표면 개질재로 사용하여 개질시킨 소수성 흄드 실리카, 용제, 저분자 실리콘 오일, 안료 및 첨가제를 포함하며,
    상기 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 상기 소수성 흄드 실리카를 53.6 내지 68 중량부, 상기 용제를 70 내지 120 중량부, 상기 저분자 실리콘 오일을 3 내지 40 중량부, 상기 안료를 17 내지 40 중량부 및 상기 첨가제를 3 내지 25 중량부 포함하고,
    상기 소수성 흄드 실리카는 평균 입자 사이즈는 150 내지 250nm인 것을 사용하며,
    상기 저분자 실리콘 오일은 분자량(g/mol)이 1,000 이하인 것으로서, [SiO(CH3)2]5, Si5O4(CH3)12, [SiO(CH3)2]6, [SiO(CH3)2]7, Si8O7(CH3)18, [SiO(CH3)2]8, [SiO(CH3)2]9, [SiO(CH3)2]10 로 구성된 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하여 사용하고
    상기 방오 도막은 표면에 소수성 흄드 실리카에 의한 평균 40 내지 60㎛의 조도를 갖는 나노-마이크로 크기의 복합 구조가 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 방오 도막.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 흄드 실리카는 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane), 헥사메틸디실라잔(Hexamethyldisilazane), 알킬트리알콕시실란(Alkyltrialkoxysilane) 및 트리알킬알콕시실란(Trialkylalkoxysilane)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 유기실란 화합물을 표면 개질재로 사용하여 개질시킨 소수성 흄드 실리카인 것을 특징으로 하는 방오 도막.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 강철 기재;
    상기 강철 기재 상에 방청도료 조성물로 형성된 방청 도막; 및
    상기 방청 도막 상에 제1항 또는 제3항에 따른 방오 도막을 포함하는 선박 또는 해수 침지 구조물.
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