KR102342766B1 - 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세라믹잉크를 천연석이나 인조석 및 금속판 표면에 분사하여 고품질의 이미지를 내외부 마감재 표면에 인쇄할 수 있도록 하여 촉진내후성과 충격강도가 향상된 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법에 관한 것이다.

Description

다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법{A method for producing a paint containing a porous structure with heat insulation, heat resistance and fire resistance}

본 발명은 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 실리카 용액이 혼합된 실란 실리카 조성물을 바인더로 이용함으로써 불연 및 단열성능을 극대화할 수 있고, 나노 실리카의 나노 구조와 다공성 구조체의 구조적인 특성 발현으로 인한 단열 성능의 향상으로 인해 건축물의 결로 방지 효과가 있으며, 나노구조체와 고다공성의 기능성 조성물과의 상승 작용에 의해 기계적 강도, 단열성, 내열성, 내화성을 더욱 향상시키도록 개선된 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법에 관한 것이다.

중공업 산업에서의 산업 설비들은 대체적으로 높은 열원에 노출되어 사용되어지고 있다.

특히, 제철산업, 철강제조, 석유화학 등의 중화학공업 분야에서 사용되는 플랜트는 공정간 사용에 있어 고온의 열에 직접 접촉되어 빠른 노화 및 많은 열손실을 야기하고 있으며, 그런 작업 환경에서 일하는 노동자들 역시 악조건 외부환경에 노출될 수 밖에 없다.

이런 문제를 해결하기 위해서는 산업 설비를 가동하는 전 영역에서 발생하는 열원을 효과적으로 제어하고 차단하며, 노동자가 작업하는 현장의 환경을 개선할 수 있는 단열, 내열, 내화 페인트의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

또한, 건축물의 실내에서 사용되는 대부분의 페인트는 불연성을 가지지 못해 화재 발생시 화재의 전이 속도를 증가시키는 불쏘시개 역할을 하며, 다량의 유독가스를 생성하여 많은 인명피해를 발생시키는 원인이 되는 등 화재에 매우 취약하다.

따라서, 건축물 내부에서 발생하는 화재시 도장된 페인트에 의해 발생하는 유독가스를 방지하며, 화재 전이 속도를 늦출 수 있는 단열, 내열, 내화 페인트의 필요성이 있다.

이와 같이 건축물 내부에 화재가 발생하면 건축물을 지탱하는 구조재로 높은 열이 전달되며, 이에 의해 건축물의 파손, 붕괴 등의 안정성이 위협받는 문제가 발생한다.

따라서, 화재시 발생하는 높은 열에서도 건축물의 내구성이 변하지 않도록 하는 단열 페인트가 절실히 요구되며, 이를 사전 차단할 수 있는 단열, 내열, 내화의 성능을 동시에 구현하는 페인트의 개발이 필요하다.

그 일환중 하나로 [선행기술문헌]이 개시된 바 있다.

하지만, 이 경우에는 도장 후 VOC, 포름알데히드 등 유해물질의 방출 위험이 높고, 유기물 분해능이 떨어져 새집증후군 발생율이 높으며, 열과 자외선에 대한 내구성이 떨어져 초기 외관을 장기간 유지할 수 없다는 단점이 있다.

국내 특허 제10-1258400호(2013.04.18.) 내열 내화 페인트

본 발명은 상술한 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 나노 실리카 용액이 혼합된 실란 실리카 조성물을 바인더로 이용함으로써 불연 및 단열성능을 극대화할 수 있고, 나노 실리카의 나노 구조와 다공성 구조체의 구조적인 특성 발현으로 인한 단열 성능의 향상으로 인해 건축물의 결로 방지 효과가 있으며, 나노구조체와 고다공성의 기능성 조성물과의 상승 작용에 의해 기계적 강도, 단열성, 내열성, 내화성을 더욱 향상시키도록 개선된 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 실란 화합물, 나노 실리카 용액을 반응시켜 개질된 실란 실리카 무기물 바인더를 제조하는 제1단계; 무기응집제, 재활용 산업부산물, 천연광물을 혼합 및 가열 가공하여 무기성 다공체를 제조하는 제2단계; 분말상의 상기 무기성 다공체와 불연재를 혼합하여 균질화하는 제3단계; 상기 제3단계에서 균질화된 분말상 재료를 상기 제1단계에서 제조된 개질 실란 실리카 무기물 바인더에 혼합 및 분산하는 제4단계;를 포함하는 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법에 있어서; 상기 제1단계는 10~20wt%의 알콜, 25~40wt%의 나노 실리카용액 및 나머지 알콕시실란을 함께 혼합하고, 40~50℃의 온도에서 5~30분간 반응시켜 졸(Sol) 상태의 무기물 바인더 용액을 제조하는 단계이고; 상기 제2단계는 황토, 불가사리 유래 산화칼슘 및 제올라이트를 1:1:1의 중량비로 혼합하여 무기성 다공체를 제조하는 단계이며; 상기 제3단계는 상기 무기성 다공체 50~80wt%와, 불연재인 칼슘옥사이드, 칼슘카보네이트, 칼슘하이드록사이드 중 하나 20~50wt%를 분말 상태에서 균질하게 혼합하는 단계이고; 상기 제4단계는 상기 개질 실란 실리카 무기물 바인더 60~80wt%에, 상기 분말상 재료 20~40wt%를 배합 분산하는 단계인 것을 특징으로 하는 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 제2단계는 무기응집제인 황토, 재활용 산업부산물인 불가사리 유래 산화칼슘, 천연광물인 제올라이트를 1:1:1의 중량비로 혼합한 다음 1차적으로 기계적 혼합하는 과정; 기계적으로 혼합된 혼합분말을 2차적으로 400~800℃의 온도에서 소성가공하는 과정; 소성가공된 소성물을 3차적으로 분쇄하여 일정입도 및 비중 1.0 내지 1.5, 기공율 50 내지 60%, 비표면적 1,000 내지 1,200㎡/g인 무기성 다공체를 제조하는 과정;으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 나노 실리카 용액이 혼합된 실란 실리카 조성물을 바인더로 이용함으로써 불연 및 단열성능을 극대화할 수 있고, 나노 실리카의 나노 구조와 다공성 구조체의 구조적인 특성 발현으로 인한 단열 성능의 향상으로 인해 건축물의 결로 방지 효과가 있으며, 나노구조체와 고다공성의 기능성 조성물과의 상승 작용에 의해 기계적 강도, 단열성, 내열성, 내화성을 더욱 향상시키도록 개선된 효과를 얻을 수 있다.

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 전에, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법은 실란 화합물, 나노 실리카 용액을 반응시켜 개질된 실란 실리카 무기물 바인더를 제조하는 제1단계; 천연광물, 재활용 산업부산물을 혼합 및 가열 가공하여 무기성 다공체를 제조하는 제2단계; 분말상의 상기 무기성 다공체와 불연재를 혼합하여 균질화하는 제3단계; 상기 제3단계에서 균질화된 분말상 재료를 상기 제1단계에서 제조된 개질 실란 실리카 무기물 바인더에 혼합 및 분산하는 제4단계;를 포함한다.

이때, 상기 제1단계는 10~20wt%의 알콜, 25~40wt%의 나노 실리카용액 및 나머지 알콕시실란을 함께 혼합하고, 40~50℃의 온도에서 5~30분간 반응시켜 졸(Sol) 상태의 무기물 바인더 용액을 제조하는 단계이다.

좀 더 구체적인 시계열적 방법을 따지자면, 먼저 25~40%의 나노 실리카 용액을 교반하고, 10~20wt%의 알콜을 점차적으로 첨가한 후 계속하여 교반하며, 나머지 알콕시실란을 혼합하여 100wt%를 맞춘 상태로 40~50℃의 온도하에서 5~30분간 반응시켜 졸 상태의 무기물 바인더 용액을 제조한다.

이 경우, 알콜은 반응중의 용액 점도와 최종적으로 제조된 페인트의 건조 속도를 고려하여, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 중의 적어도 하나 이상의 혼합물로 구성된다.

또한, 나노 실리카용액중 나노 실리카는 실리카 입자의 크기가 1~50nm의 것으로 입자의 크기가 1nm보다 작으면 나노 실리카 용액의 투입 효과가 크지 않으며, 입자의 크기가 50nm 보다 커지면 용액의 안정성이 문제가 되므로 상기 범위로 한정해야 한다.

아울러, 알콕시실란은 메틸트리메톡시실란, 테트라에톡시실란, 부틸트리메톡시실란, 아미노프로필에톡시실란 중의 적어도 하나 이상의 혼합물이며, 원료물질을 혼합하여 반응을 통한 무기물 바인더 제조시 발열 현상이 발생할 수 있기에 반응기 내부의 온도가 50℃를 넘지 않도록 관리하여야 한다.

여기에서, 이해를 돕기 위해 혼합비율을 기준 100g(wt%의 기준은 100wt%이므로)을 가지고 예시적으로 설명하지면, 20g의 알콜, 40g의 나노 실리카용액을 혼합한다고 하면, 알콕시실란은 나머지 만큼 첨가하는 것이므로 100g에서 20g과 40g을 뺀 나머지인 40g을 첨가하면 된다.

한편, 상기 제2단계는 금속산화물을 포함하는 무기응집제, 재활용 산업부산물 및 천연광물을 혼합하여 무기성 다공체를 제조하는 단계이다.

본 발명에서는 무기응집제와 재활용 산업부산물, 천연광물은 단열성, 내열성, 불연성을 발현하는 가장 중요한 역할을 수행하는 것으로, 입자 내에 공기를 함유할 수 있는 미세 공간을 가지는 것으로 천연의 세공을 가지는 물질 및 가열 가공을 통한 미세 공간을 가지는 물질로 구성되어야 한다.

이를 위해, 무기응집제로는 황토 또는 고령토가 사용되며; 재활용 삽업부산물로는 플라이애시 또는 불가사리 유래 산화칼슘가 사용되고; 천연광물은 팽창 펄라이트, 팽창 질석, 제올라이트 등이 사용될 수 있다.

특히, 상기 제2단계는 모든 재료들이 분말로 이루어져 있기 때문에 이들의 혼합정도를 균일하고 일정하게 유지하여야 한다.

이를 위해, 본 발명에서는 상기 제2단계에서 사용되는 무기응집제, 재활용 산업부산물, 천연광물을 1:1:1의 중량비로 혼합한 다음 1차적으로 기계적 혼합하는 과정; 기계적으로 혼합된 혼합분말을 2차적으로 400~800℃의 온도에서 소성가공하는 과정; 소성가공된 소성물을 3차적으로 분쇄하여 일정입도 및 비중 1.0 내지 1.5, 기공율 50 내지 60%, 비표면적 1,000 내지 1,200㎡/g인 무기성 다공체를 제조함이 바람직하다.

예컨대, 황토분말은 2.0~2.5의 비중, 불가사리 유래 산화칼슘은 0.4~1.5의 비중, 제올라이트는 0.8~1.5의 비중을 갖기 때문에 이들을 혼합하여 상기와 같은 비중범위로 조절할 수 있다.

특히, 이들 성분은 원적외선도 방출하며, 인체 유용물질도 방출하고, 중금속 등의 유해물질을 흡착, 분해 제거하는 것으로 알려져 있어 더욱 유익하다.

아울러, 상기 제3단계는 상기 제2단계에서 제조된 무기성 다공체와 불연재를 혼합하는 단계로서 무기성 다공체 50~80wt%, 불연재 20~50wt%를 분말 상태에서 균질하게 혼합하는 단계이다.

이때, 사용되는 불연재는 칼슘화합물이 주성분으로 칼슘옥사이드, 칼슘카보네이트, 칼슘하이드록사이드 중에서 선택된 적어도 하나 이상이다.

뿐만 아니라, 상기 제4단계는 상기 제1단계에서 제조한 액상의 무기물 바인더 60~80wt%에, 상기 제3단계에서 제조한 분말상 물질 20~40wt%를 배합 분산하는 단계로 적정한 분산 및 안정화를 위해 비이온성 계면활성제를 분산제로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 단열, 내열, 내화 페인트 조성물은 다양한 색상을 구현하기 위하여 금속 산화물 안료를 첨가가 가능하다.

금속산화물로 구성된 안료는 상기 분산액 100중량부에 대해 색상에 따라 5~20중량부를 투입하는 것이 바람직한데, 투입량이 5중량부 보다 적으면, 색상의 구현이 부족하고, 20중량부 보다 많으면 도막 본연의 기능성이 떨어지는 문제가 있다.

이와 같은 본 발명에 따라 제조된 단열, 내열, 내화 페인트는 유해물질 배출이 없으며, 도막이 가지는 기공에 의한 유기물질의 흡착 및 기능성 보조제에 의한 분해 능력으로 새집증후군의 발생을 억제할 수 있다.

특히, 도막의 모든 구성 성분은 무기물로 이루어져 열과 자외선에 대하여 내구성이 우수하여 초기 외관을 장기간 유지할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명에서는 상기 제4단계에서, 분산액 100중량부에 대해 폴리메타인산염 15중량부, 보로수소화나트륨(Sodium borohydride) 5중량부, 디페닐디에톡시실란(DPDES)과 이소시아누레이트(Isocyanurate)가 2:1의 중량비로 혼합된 혼합물 10중량부, 비닐트리에톡시실란 5중량부, 부틸히드록시 아니졸 5중량부, 소디움바이카보네이트 10중량부를 더 첨가할 수 있다.

이 경우, 폴리메타인산염을 경화촉진 및 박리억제력을 높여 부착강도를 증대시키며, 유해물질 포집분해력을 강화시킨다.

또한, 보로수소화나트륨는 혼합 교반시 교반물과의 마찰을 감소시켜 교반성을 증대시키며 점도를 조절하고, 미소기포 발생을 억제하여 균질화를 유도한다.

그리고, 디페닐디에톡시실란(DPDES)과 이소시아누레이트(Isocyanurate)가 2:1의 중량비로 혼합된 혼합물은 내열성과 내충격성 및 내후성을 증대시키기 위해 첨가되는 성분조합이다.

아울러, 비닐트리에톡시실란(Vinyltriethoxysilane)은 페인트의 내열성, 내유성 및 인쇄 후 수축변형저항성을 증대시켜 도료의 적정성을 높이게 된다.

뿐만 아니라, 부틸히드록시 아니졸(Butyl hydroxy anisole)은 내열 특성을 충분히 갖춘 것으로 페인트의 표면 산화를 억제하고, 자외선에 대한 변형이나 변색을 차단하여 장수명화를 유지한다.

또한, 소디움바이카보네이트는 수지 내부에 미세 공극 형성을 촉진하여 유해물질 흡착력, 분해력을 증진시키며, 혼합 교반시 공극 파괴를 최소화시켜 안정성을 강화시킨다.

본 발명에 따라 제조된 페인트의 시험 도포 후 박리력(g/25mm)과 내크랙성을 테스트한 결과, 박리력은 88(스펙 45)로 쉽게 박리되지 않는 높은 부착력으로 확인되었으며, 밀착성은 극상, 상, 상하, 중상, 중, 중하, 하 중에서 극상으로 평가되었고; 충격강도가 높아 내크랙성도 우수한 것으로 확인되엇다.

내열, 내화성을 확인하기 위해 토치로 시험 도포면에 화염을 방사하여 1000-1200℃까지 20분간 가했으나 그을음만 발생할 뿐 전혀 변화가 없었다.

뿐만 아니라, 6대 중금속 검출을 확인한 결과, 아무것도 검출되지 않았다.

아울러, 자외선에 10일간 상,중,하 중에서 중 강도 이상으로 노출하였으나, 변색, 변형이 전혀 발생하지 않았다.

또한, 물 스프레이로 3일간 1시간 간격으로 주기적으로 하루에 5회씩 뿌렸으나 전혀 변화가 없어 방수성, 방습성, 내수성도 매우 뛰어난 것으로 확인되었다.

나아가, 단열성 테스트를 위해 유리판에 본 발명에 따른 페인트 도막을 1mm 두께로 도포하여 건조하고, 시중에서 시판중인 일반 도료를 도포한 후 건조한 것과 비교 실험하였다.

각 시료 20cm 전방에서 백열등을 켠 채 10시간 유지하고, 시료 뒷면에서 20cm 떨어진 곳에서 시료 뒷면을 향해 적외선 온도계로 온도 변화를 측정하였다. 측정결과, 본 발명 시료의 경우 온도변화가 3℃ 차이를 나타냈지만, 비교 시료의 경우 12.5℃ 차이를 나타냈었다. 즉, 본 발명 시료의 경우 측정 전,후의 차이가 작아 단열성능이 뛰어나므로 온도가 적게 올라갔지만, 비교 시료의 경우 측정 전,후의 차이가 커 단열성이 거의 없기 때문에 온도가 많이 올라갔음을 확인하였다. 이를 통해, 단열성능도 있는 것으로 판단되었다.

Claims (2)

1. 실란 화합물, 나노 실리카 용액을 반응시켜 개질된 실란 실리카 무기물 바인더를 제조하는 제1단계; 무기응집제, 재활용 산업부산물, 천연광물을 혼합 및 가열 가공하여 무기성 다공체를 제조하는 제2단계; 분말상의 상기 무기성 다공체와 불연재를 혼합하여 균질화하는 제3단계; 상기 제3단계에서 균질화된 분말상 재료를 상기 제1단계에서 제조된 개질 실란 실리카 무기물 바인더에 혼합 및 분산하는 제4단계;를 포함하는 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법에 있어서;
   상기 제1단계는 10~20wt%의 알콜, 25~40wt%의 나노 실리카용액 및 나머지 알콕시실란을 함께 혼합하고, 40~50℃의 온도에서 5~30분간 반응시켜 졸(Sol) 상태의 무기물 바인더 용액을 제조하는 단계이고;
   상기 제2단계는 황토, 불가사리 유래 산화칼슘 및 제올라이트를 1:1:1의 중량비로 혼합하여 무기성 다공체를 제조하는 단계이며;
   상기 제3단계는 상기 무기성 다공체 50~80wt%와, 불연재인 칼슘옥사이드, 칼슘카보네이트, 칼슘하이드록사이드 중 하나 20~50wt%를 분말 상태에서 균질하게 혼합하는 단계이고;
   상기 제4단계는 상기 개질 실란 실리카 무기물 바인더 60~80wt%에, 상기 분말상 재료 20~40wt%를 배합 분산하는 단계인 것을 특징으로 하는 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2단계는 무기응집제인 황토, 재활용 산업부산물인 불가사리 유래 산화칼슘, 천연광물인 제올라이트를 1:1:1의 중량비로 혼합한 다음 1차적으로 기계적 혼합하는 과정; 기계적으로 혼합된 혼합분말을 2차적으로 400~800℃의 온도에서 소성가공하는 과정; 소성가공된 소성물을 3차적으로 분쇄하여 일정입도 및 비중 1.0 내지 1.5, 기공율 50 내지 60%, 비표면적 1,000 내지 1,200㎡/g인 무기성 다공체를 제조하는 과정;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다공성 구조체를 함유한 단열성과 내열성과 내화성을 갖는 페인트 제조방법.