KR102465874B1 - Ceramic coating composition containing cellulose nanofibers - Google Patents
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Abstract
본 발명은 셀룰로오스 나노섬유를 포함한 세라믹 코팅 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는, 기재(알루미늄, 플라스틱, 섬유 직조물, 세라믹 등) 표면의 화학적 변형 없이 CNF(cellulose nanofiber)가 포함된 세라믹 코팅용액을 제조하고 이에 따라 표면의 거칠기를 제어하여 소수성을 증가시키는 간단한 방법을 제공하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic coating composition containing cellulose nanofibers, and specifically, to prepare a ceramic coating solution containing CNF (cellulose nanofibers) without chemical modification of the surface of a substrate (aluminum, plastic, woven fiber, ceramic, etc.) Accordingly, it is directed to providing a simple method of increasing hydrophobicity by controlling surface roughness.
Description
본 발명은 셀룰로오스 나노 섬유를 포함한 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 추가 비용 및 가공 없이 셀룰로오스 나노섬유를 확인하는 세라믹 코팅 조성물을 제조하고 이에 따라 표면의 거칠기를 제어하여 소수성이 증대된 세라믹 코팅 조성물을 제공하는 것이다.The present invention relates to a ceramic coating composition including cellulose nanofibers and a method for producing the same, and specifically, to prepare a ceramic coating composition for identifying cellulose nanofibers without additional cost and processing, and thereby controlling surface roughness to increase hydrophobicity It is to provide a ceramic coating composition.
열판, 유리용기 등을 비롯한 주방용품·생활용품 분야, 각종 마감재 분야, 송수관 등을 비롯한 배관 분야, 반도체 분야, 건설 분야, 디스플레이 스크린 분야, 항공 분야 및 금속 배선 관련 분야 등 다양한 분야에서 소수성 (Hydrophobic) 내지 발수성(Water repellency) 소재에 대한 수요가 증가하고 있다. 이를 위해, 친수성(Hydrophilic) 기재를 소수성으로 표면 개질하기 위한 시도들이 진행되고 있으며, 예를 들어 유기(Organic) 고분자 개질제를 이용해 친수성 표면을 소수성화시킨 제품들이 시판된 바 있다. 그러나, 소수성 특성을 지니는 종래의 유기 폴리머 물질은 열에 취약하여 고온으로 가열시 열화되고 그 소수성 특성을 상실하는 문제가 있다. 이러한 기존 고분자 개질제의 열악한 열적 안정성은 내열성이 특히 요구되는 산업 분야에의 적용에 큰 걸림돌이 되고 있다. Hydrophobic properties in various fields such as kitchen utensils and daily necessities including heating plates and glass containers, various finishing materials, piping including water pipes, semiconductors, construction, display screens, aviation and metal wiring. Demand for water repellency materials is increasing. To this end, attempts have been made to modify the surface of hydrophilic substrates to be hydrophobic, and for example, products in which hydrophilic surfaces are hydrophobic using organic polymer modifiers have been marketed. However, conventional organic polymer materials having hydrophobic properties are vulnerable to heat and deteriorate when heated to a high temperature and lose their hydrophobic properties. The poor thermal stability of these existing polymer modifiers is a major obstacle to their application to industrial fields where heat resistance is particularly required.
열적 안정성이 높은 코팅으로 세라믹 코팅은 내외장재, 반도체 및 주방 용품과 같은 광범위한 분야에서 오랫동안 사용되어 왔다. 세라믹 코팅은 좋은 경도, 내열성, 및 내식성을 가지고 있다. 특히 최근 세라믹 코팅은 무독성과 친환경적 특성으로 주목을 받고있다. 세라믹 코팅은 일반적으로 스프레이 또는 딥 코팅과 같은 코팅 공정을 통해 기판에 코팅 용액을 도포하여 만들어진다. 세라믹 코팅용액을 제조하는 대표적인 방법 중 졸-겔 공정이 있다. 졸-겔 공정을 통해 콜로이드는 에어로겔, 제로겔 및 코팅과 같은 다양한 무기 네트워크 구조를 형성한다. 전형적인 전구체는 실리콘 또는 금속 알콕시드이다. 콜로이드 형태는 가수분해된 다음 축합 반응을 통해 서로 공유 결합을 형성하여 네트워크를 형성한다.As a coating with high thermal stability, ceramic coating has been used for a long time in a wide range of fields such as interior and exterior materials, semiconductors, and kitchen utensils. Ceramic coatings have good hardness, heat resistance, and corrosion resistance. In particular, recently, ceramic coatings have attracted attention for their non-toxic and eco-friendly properties. Ceramic coatings are generally made by applying a coating solution to a substrate through a coating process such as spray or dip coating. Among the representative methods for preparing a ceramic coating solution, there is a sol-gel process. Through the sol-gel process, colloids form various inorganic network structures such as airgels, xerogels, and coatings. Typical precursors are silicon or metal alkoxides. The colloidal forms are hydrolyzed and then form covalent bonds with each other through a condensation reaction to form a network.
졸-겔 공법에 의해 실리콘 알콕사이드를 사용하여 제조된 코팅 표면은 수산기의 노출로 인해 친수성이 있다. 표면이 친수성이므로 발수성이 낮은 문제점이 발생하고, 친수성 표면을 소수성으로 만들려는 많은 시도가 있다.The coating surface prepared using silicon alkoxide by the sol-gel method has hydrophilicity due to exposure of hydroxyl groups. Since the surface is hydrophilic, a problem of low water repellency occurs, and many attempts have been made to make the hydrophilic surface hydrophobic.
이러한 배경하에, 본 발명자들은 세라믹 코팅의 화학적 변형없이 텍스처 포면을 구현하여 소수성을 개선할 것으로 판단하고 종래의 문제를 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 세라믹 조성물을 제조하였을 때 현저히 소수성이 증대됨을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Under this background, the present inventors determined that the hydrophobicity would be improved by implementing a texture surface without chemical modification of the ceramic coating, and as a result of diligent efforts to solve the conventional problem, when a ceramic composition was prepared by adding cellulose nanofibers, significantly hydrophobic By confirming this increase, the present invention was completed.
본 발명의 하나의 목적은 실리카 입자를 물에 분산하여 콜로이드졸 형태로 실리카졸을 형성하는 제1단계, 펄프를 물에 넣어 균질기로 분산한 후 원심분리기로 농축하여 셀룰로오스나노섬유(CNF)를 제조하는 제2단계, 상기 실리카졸, 셀룰로오스나노섬유 및 제1용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제3단계 및 상기 혼합물에 제2용매를 혼합하여 롤링하는 제4단계;를 포함하는, 세라믹 코팅 조성물 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is the first step of dispersing silica particles in water to form a silica sol in the form of a colloidal sol, putting the pulp in water, dispersing in a homogenizer, and then concentrating with a centrifuge to produce cellulose nanofibers (CNF) A second step of doing, a third step of preparing a mixture by mixing the silica sol, cellulose nanofibers and the first solvent, and a fourth step of mixing and rolling the mixture with a second solvent; manufacturing a ceramic coating composition comprising is to provide a way
본 발명의 다른 하나의 목적은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물 제조방법으로 제조된 세라믹 코팅 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ceramic coating composition prepared by the method for preparing a ceramic coating composition of the present invention.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물을 사용하여 기재 상에 스프레이 용법으로 코팅하는, 발수 코팅 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a water-repellent coating method, in which the ceramic coating composition of the present invention is coated on a substrate by a spray method.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.A detailed description of this is as follows. Meanwhile, each description and embodiment disclosed in the present invention may also be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein fall within the scope of the present invention. In addition, it cannot be seen that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1양태는, 실리카 입자를 물에 분산하여 콜로이드졸 형태로 실리카졸을 형성하는 제1단계, 펄프를 물에 넣어 균질기로 분산한 후 원심분리기로 농축하여 셀룰로오스나노섬유(CNF)를 제조하는 제2단계, 상기 실리카졸, 셀룰로오스나노섬유 및 제1용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제3단계 및 상기 혼합물에 제2용매를 혼합하여 롤링하는 제4단계를 포함하는, 세라믹 코팅 조성물 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention for achieving the above object is a first step of dispersing silica particles in water to form a silica sol in the form of a colloidal sol, dispersing the pulp in water with a homogenizer, and then concentrating with a centrifuge The second step of preparing cellulose nanofibers (CNF), the third step of preparing a mixture by mixing the silica sol, cellulose nanofibers and the first solvent, and the fourth step of mixing and rolling the second solvent with the mixture Including, it provides a method for producing a ceramic coating composition.
또한, 본 발명의 제2양태는 본 발명의 세라믹 코팅 조성물 제조방법으로 제조된 세라믹 코팅 조성물을 제공한다.In addition, a second aspect of the present invention provides a ceramic coating composition prepared by the method for preparing a ceramic coating composition of the present invention.
또한, 본 발명의 제3양태는 본 발명의 세라믹 코팅 조성물을 사용하여 기재상에 스프레이 용법으로 코팅하는, 발수 코팅 방법을 제공한다.In addition, a third aspect of the present invention provides a water-repellent coating method in which the ceramic coating composition of the present invention is coated on a substrate by a spray method.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 용어, "실리카 입자"는 응집을 방지하고 분산에 도음을 주는 물질을 의미한다. 구체적으로, 내열성 및 내식성을 제공하고 무독성의 친환경적 특성을 제공하는 것일 수 있다. As used herein, the term "silica particles" means a material that prevents aggregation and helps in dispersion. Specifically, it may be to provide heat resistance and corrosion resistance and to provide non-toxic and environmentally friendly characteristics.
상기 실리카 입자의 크기는 40nm 내지 60nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The size of the silica particles may be 40 nm to 60 nm, but is not limited thereto.
본 발명의 용어, "콜로이드졸(colloid sol)"는 용매와 용질이 완전히 혼합되어 단일상으로 이루는 용액과 달리, 크기가 1 내지 1000nm 이고 불용성인 물질이 액체에 분산된 상태로 다른 물질과 섞여 있는 혼합물을 의미한다.As used herein, the term "colloid sol" refers to a solution in which a solvent and a solute are completely mixed to form a single phase, in which an insoluble substance having a size of 1 to 1000 nm is dispersed in a liquid and mixed with other substances. means a mixture.
본 발명의 용어, "실리카졸"는 고체인 실리카 입자가 액체에 분산되어 있는 것을 의미한다. 구체적으로, 콜로이드졸 형태의 실리카졸은 나노크기의 실리카 입자를 액체 내에 고르게 분산되어 셀룰로오스 나노섬유와 고르게 혼합되는 것일 수 있다.As used herein, "silica sol" means that solid silica particles are dispersed in a liquid. Specifically, the silica sol in the form of a colloidal sol may be one in which nano-sized silica particles are evenly dispersed in a liquid and evenly mixed with cellulose nanofibers.
본 발명의 용어, "펄프"는 목재나 일부 종의 초본류에서 기계적 또는 화학적 방법으로 추출한 셀룰로오스 섬유를 의미한다.As used herein, the term "pulp" refers to cellulose fibers mechanically or chemically extracted from wood or some species of herbaceous plants.
상기 펄프는 경목 펄프, 연목 펄프, 탈목 펄프, 또는 비목재 펄프를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The pulp may include hardwood pulp, softwood pulp, dewood pulp, or non-wood pulp, but is not limited thereto.
상기 제2단계의 분산은 500rpm 내지 2,000rpm 에서 수행되는 것일 수 있다. 500rpm 미만일 경우 분산 효과가 미미할 수 있고, 2,000rpm 초과할 경우 셀룰로오스 나노섬유가 절단될 수 있다.The dispersion of the second step may be performed at 500 rpm to 2,000 rpm. If it is less than 500 rpm, the dispersing effect may be insignificant, and if it exceeds 2,000 rpm, cellulose nanofibers may be cut.
본 발명의 용어, "셀룰로오스 나노섬유(CNF)"는 높은 결정성, 고강도, 화학적 안정, 생체에 대한 안정성이 우수하고, 가스 차단성을 가지는 친환경 바이오매스 소재를 의미한다. 구체적으로, 셀룰로오스 나노섬유의 첨가량이 증가함에 따라 세라믹 코팅 조성물이 무작위로 축적되어 표면 거칠기가 증가시키고 소수성 부여하는 것일 수 있다.The term of the present invention, "cellulose nanofiber (CNF)" means an eco-friendly biomass material having high crystallinity, high strength, chemical stability, excellent stability to the living body, and gas barrier property. Specifically, as the amount of cellulose nanofibers added increases, the ceramic coating composition may be randomly accumulated to increase surface roughness and impart hydrophobicity.
상기 제2단계의 셀룰로오스 나노섬유는 1.5wt% 내지 5wt%로 농축하는 것일 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유가 1.5wt% 미만일 경우 물이 과도하게 포함되어 세라믹 코팅 조성물에 포함하기 어려울 수 있고, 5wt% 초과할 경우 점도가 증가하여 스프레이 코팅에 어려움이 있을 수 있다.Cellulose nanofibers of the second step may be concentrated to 1.5wt% to 5wt%. If the cellulose nanofiber is less than 1.5wt%, it may be difficult to include in the ceramic coating composition because water is excessively included, and if it exceeds 5wt%, the viscosity may increase, which may cause difficulty in spray coating.
상기 실리카졸 대비 셀룰로오스 나노섬유의 중량은 1 내지 10 중량%로 포함하는 것일 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유 중량이 1 중량% 미만일 경우 수소성 효과가 미미할 수 있고, 10 중량% 초과할 경우 점도 향상으로 스프레이 코팅에 어려움이 있을 수 있다.The weight of the cellulose nanofibers compared to the silica sol may be 1 to 10% by weight. When the weight of cellulose nanofibers is less than 1% by weight, the hydrophobic effect may be insignificant, and when it exceeds 10% by weight, there may be difficulty in spray coating due to viscosity improvement.
상기 제1용매는 에틸 실리케이트, 이소프로필알콜, 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 제1용매는 졸-겔 반응의 반응물로서 포함되는 것일 수 있다.The first solvent may include ethyl silicate, isopropyl alcohol, or a combination thereof. Specifically, the first solvent may be included as a reactant of the sol-gel reaction.
상기 제3단계의 혼합은 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 혼합 수행시간이 1시간 미만일 경우 코팅층이 형성되지 않을 수 있고, 2시간 초과할 경우 과반응으로 코팅층의 물성에 영향을 줄 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 혼합은 셀룰로오스 나노섬유 상에 실리카졸이 분산되어 친수성인 셀룰로오스 나노섬유가 코팅 조성물 표면에 직접적으로 노출되지 않고, 거칠기만 증가시켜 소수성을 제공하는 것일 수 있다.Mixing in the third step may be performed for 1 hour to 2 hours. If the mixing time is less than 1 hour, the coating layer may not be formed, and if it exceeds 2 hours, the physical properties of the coating layer may be affected due to overreaction. More specifically, the mixing may be performed by dispersing silica sol on the cellulose nanofibers so that the hydrophilic cellulose nanofibers are not directly exposed to the surface of the coating composition and only increase roughness to provide hydrophobicity.
상기 제2용매는 염산, 포름산, p-톨루엔설폰산(PTSA), 폴리(디메틸실록산), 메틸트리메톡시실란, 계면활성제, 이소프로필알콜 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 제2용매는 졸-겔 반응의 반응물로서 포함되는 것일 수 있다.The second solvent may include hydrochloric acid, formic acid, p-toluenesulfonic acid (PTSA), poly(dimethylsiloxane), methyltrimethoxysilane, a surfactant, isopropyl alcohol, or a combination thereof. Specifically, the second solvent may be included as a reactant of the sol-gel reaction.
상기 제4단계의 롤링은 0.5 시간 내지 2시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로, 볼밀 롤러를 사용하는 것일 수 있고, 롤링 수행 시간이 0.5시간 미만일 경우 혼합 반응이 미반응될 수 있고, 2시간 초과할 경우 과반응되어 코팅층 물성에 영향을 줄 수 있다.The rolling of the fourth step may be performed for 0.5 to 2 hours. Specifically, it may be to use a ball mill roller, and if the rolling time is less than 0.5 hours, the mixing reaction may not react, and if it exceeds 2 hours, the reaction may be overreacted, thereby affecting the physical properties of the coating layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양태는, 상기 세라믹 코팅 조성물 제조방법으로 제조된 세라믹 코팅 조성물을 제공한다.One aspect of the present invention for achieving the above object provides a ceramic coating composition prepared by the method for preparing a ceramic coating composition.
상기 세라믹 코팅 조성물은 실리카 입자 및 셀룰로오스나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)를 포함하는 것일 수 있다.The ceramic coating composition may include silica particles and cellulose nanofibers (CNF).
상기 세라믹 코팅 조성물은 스프레이 코팅용인 것일 수 있다. The ceramic coating composition may be for spray coating.
본 발명의 용어 “스프레이 코팅”은 다양한 모양의 기재의 고루 분사되어 이외의 코팅 방법보다 간단하게 균일하고 밀도 높게 코팅하는 것을 의미한다. 구체적으로, 에어 브러시 (GP-50, sparmax)를 사용하고 스프레이 코팅후 소결하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.The term "spray coating" of the present invention means that substrates of various shapes are evenly sprayed and coated with uniformity and density more simply than other coating methods. Specifically, it may further include using an air brush (GP-50, sparmax) and sintering after spray coating.
상기 세라믹 코팅 조성물의 점도는 1cP 내지 1100cP 인 것일 수 있다. 상기 코팅 조성물의 점도가 1cP 미만일 경우 코팅막 형성이 되지 않을 수 있고, 1100cP 초과할 경우 높은 점도로 고르게 분사되는 스프레이 코팅에 적합하지 않을 수 있다.The ceramic coating composition may have a viscosity of 1 cP to 1100 cP. When the viscosity of the coating composition is less than 1 cP, a coating film may not be formed, and when it exceeds 1100 cP, it may not be suitable for spray coating that is evenly sprayed with high viscosity.
구체적으로, 상기 세라믹 코팅 조성물은 화학적 변형 없이 제조되어 표면의 거칠기를 제어하여 소수성 효과를 제공할 수 있다.Specifically, the ceramic coating composition may be prepared without chemical modification to provide a hydrophobic effect by controlling surface roughness.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 하나의 양태는, 세라믹 코팅 조성물을 사용하여 기재 상에 스프레이용법으로 코팅하는, 발수 코팅 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention for achieving the above object provides a water-repellent coating method, which uses a ceramic coating composition to coat a substrate by spraying.
상기 기재는 알루미늄, 플라스틱, 세라믹 또는 섬유 직조물을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, “기재”는 유리, 실리콘웨이퍼 섬유 등의 세라믹, 금속과 같은 무기 재료뿐만 아니라 고분자 유기 재료 기재를 포함하는 것을 의미한다. 구체적으로, 상기 기재는 폴리올레핀(PO; Polyolefine), 폴리에틸렌(PE; Polyethylene), 폴리프로필렌(PP; Polypropylene), 폴리에스터(polyester), 또는, 이축연신폴리프로필렌(BOPP; Biaxially oriented Polypropylene)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The substrate may include aluminum, plastic, ceramic or woven fabric. Specifically, “substrate” means a polymeric organic material substrate as well as inorganic materials such as ceramics and metals such as glass and silicon wafer fibers. Specifically, the substrate includes polyolefin (PO), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, or biaxially oriented polypropylene (BOPP). It may be, but is not limited thereto.
구체적인 일 실시예에서는, CNF가 포함된 본 발명의 세라믹 코팅 조성물은 친수성인 CNF를 포함하여도 CNF상에 세라믹 입자가 코팅되어 소수성을 잃지 않고, CNF 함량증가에 따라 표면거칠기(Ra)가 증가되는 것을 확인하였다.In a specific embodiment, the ceramic coating composition of the present invention containing CNF does not lose hydrophobicity by coating ceramic particles on CNF even if it contains hydrophilic CNF, and the surface roughness (Ra) increases as the CNF content increases. confirmed that
따라서, 상기 구체적인 일 실시예를 통하여 본 발명의 세라믹 코팅 조성물은 화학적 변화 없이 제조되어 소수성 효과를 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 본 발명의 세라믹 코팅 조성물을 약품, 전자 부재, 전자 기기 등의 수분 및 산소 등에 소수성 코팅 조성물로 사용될 수 있음을 시사하는 것이다.Therefore, through the above specific embodiment, it was confirmed that the ceramic coating composition of the present invention was prepared without chemical change and had a hydrophobic effect, which means that the ceramic coating composition of the present invention is resistant to moisture and oxygen such as chemicals, electronic members, and electronic devices. This suggests that it can be used as a hydrophobic coating composition, etc.
본 발명의 세라믹 코팅 조성물에 환경 친화적으로 화학적 변형 없이 셀룰로오스 나노섬유를 포함하여 표면 거칠기와 소수성을 제어하고 발수효과를 제공하는 것이다.It is to control the surface roughness and hydrophobicity and provide a water repellent effect by including cellulose nanofibers in the ceramic coating composition of the present invention in an environmentally friendly manner without chemical modification.
도 1은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물 표면의 3D레이저 스캐닝 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 세라믹 코팅 조성물의 셀룰로오스 나노섬유 함량에 따른 거칠기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물에 포함된 셀룰로오스 나노 함량에 따른 조성물 표면의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 세란믹 코팅 조성물 표면을 SEM-EDX 분석하여 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 세라믹 코팅 조성물에 포함된 셀룰로오스 나노 함량에 따른 조성물 표면의 물 접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물에 포함된 셀룰로오스 나노 함량에 따른 조성물 표면의 거칠기 및 물접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물이 코팅된 표면의 시간 경과에 따른 접촉각 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 세라믹 코팅 조성물이 코팅된 표면의 시간 경과에 따른 표면 액적 형상 변화를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 세라믹 코팅 조성물이 코팅된 폴리에스터 사진이다.1 is a 3D laser scanning micrograph of the surface of the ceramic coating composition of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the roughness according to the cellulose nanofiber content of the ceramic coating composition of the present invention.
Figure 3 is a SEM picture of the composition surface according to the cellulose nano content included in the ceramic coating composition of the present invention.
4 is a photograph showing the surface of the ceramic coating composition of the present invention by SEM-EDX analysis.
5 is a graph showing the water contact angle of the composition surface according to the cellulose nano content included in the ceramic coating composition of the present invention.
6 is a graph showing the roughness and water contact angle of the surface of the composition according to the cellulose nano content included in the ceramic coating composition of the present invention.
7 is a graph showing the contact angle change over time of the surface coated with the ceramic coating composition of the present invention.
8 is a photograph showing a change in the shape of a surface droplet over time of a surface coated with the ceramic coating composition of the present invention.
9 is a photograph of polyester coated with the ceramic coating composition of the present invention.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
재료ingredient
50nm 크기의 실리카 입자(50%)를 물 50%에 분산하여 콜로이드졸을 사용하였다. 테트라 에틸 오르토 실리케이트(TEOS), 메틸트리메톡시실란(MTMS), 이소프로필알코올, 에틸알코올, 염산, 포름산, p-톨루엔설폰산(PTSA), 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 및 유칼립투스 경목 표백 크래프트 펄프는 Sigma-Aldrich에서 구입하여 사용하였다.A colloidal sol was used by dispersing silica particles (50%) with a size of 50 nm in 50% water. Tetraethyl orthosilicate (TEOS), methyltrimethoxysilane (MTMS), isopropyl alcohol, ethyl alcohol, hydrochloric acid, formic acid, p-toluenesulfonic acid (PTSA), poly(dimethylsiloxane) (PDMS) and eucalyptus hardwood bleached kraft Pulp was purchased from Sigma-Aldrich and used.
제조예 1: 셀룰로오스나노섬유(CNF) 제조Preparation Example 1: Preparation of cellulose nanofibers (CNF)
물 100g에 경목 펄프 10g을 넣고 균질기를 사용하여 15,000rpm에서 5분 동안 1차 혼합하였다. 용액을 바스켓 밀링을 사용하여 1,000rpm 에서 추가로 교반하여 1wt% CNF분산액을 제조하였다. 1wt% CNF 분산액은 용제로 사용하기 위해 물이 과도하게 포함되어 세라믹 코팅 조성물에 포함하기 어려우므로, 분산액의 CNF함량을 높이기 위해 원심분리기(Gyrozen 2336 HR)을 사용하여 10,000g RCF(Relative centrifugal force)로 15분동안 원심분리 하여 농축하여 2wt% 내지 4wt%로 CNF를 제조했다.10 g of hardwood pulp was put into 100 g of water and firstly mixed for 5 minutes at 15,000 rpm using a homogenizer. The solution was further stirred at 1,000 rpm using basket milling to prepare a 1 wt% CNF dispersion. Since the 1 wt% CNF dispersion contains excessive water for use as a solvent, it is difficult to include it in the ceramic coating composition, so 10,000 g RCF (Relative centrifugal force) was used to increase the CNF content of the dispersion using a centrifuge (Gyrozen 2336 HR) It was concentrated by centrifugation for 15 minutes to prepare CNF at 2wt% to 4wt%.
제조예 2: 세라믹 코팅 조성물 제조Preparation Example 2: Preparation of ceramic coating composition
볼이 없는 볼 밀 롤러를 사용하여 15.27g의 콜로이드 실리카졸, 15.27g의 물, 5.47g의 에틸 실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS), 5.47g의 이소프로필알콜(isopropyl alcohol, IPA) 및 상기 제조예 1로 제조한 CNF를 하기 표 1과 같이 첨가하고, 1.5시간 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물에 0.5g HCl, 포름산 및 p-톨루엔설폰산(PTSA)를 첨가하였다. 이후 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 10g과 메틸트리메톡시실란(MTMS)26.94g을 넣고, 볼밀 롤러를 이용하여 1시간 더 반응시켰다. 마지막으로, 10.08g의 메틸트리메톡실란(MTMS)와 이소프로필알콜(isopropyl alcohol, IPA) 10g을 첨가한 후, 0.5시간 동안 혼합물을 롤링하여 반응시켰다.Using a ball-less ball mill roller, 15.27 g of colloidal silica sol, 15.27 g of water, 5.47 g of ethyl silicate (Tetraethyl orthosilicate, TEOS), 5.47 g of isopropyl alcohol (IPA) and Preparation Example 1 A mixture was prepared by adding CNF prepared as shown in Table 1 below and mixing for 1.5 hours. To the mixture was added 0.5g HCl, formic acid and p-toluenesulfonic acid (PTSA). Thereafter, 10 g of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) and 26.94 g of methyltrimethoxysilane (MTMS) were added and reacted for 1 hour using a ball mill roller. Finally, after adding 10.08 g of methyltrimethoxysilane (MTMS) and 10 g of isopropyl alcohol (IPA), the mixture was reacted by rolling for 0.5 hour.
Ratio (%)CNF/Silica
Ratio (%)
(g)Total solid
(g)
(g)Total solution
(g)
(%)Solution concentration
(%)
(cP)Viscosity
(cP)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, CNF 양은 첨가된 실리카 대비 0%(CS0), 1%(CS1), 3%(CS3), 5%(CS5), 및 10%(CS10)로 비율로 제조하였다. CNF 함량이 증가함에 따라 점도가 증가하였고, 스프레이코팅 공정에 알맞은 점도(cP)를 나타내었다.As shown in Table 1, the amount of CNF was prepared at a ratio of 0% (CS0), 1% (CS1), 3% (CS3), 5% (CS5), and 10% (CS10) relative to the added silica. The viscosity increased as the CNF content increased, and showed a suitable viscosity (cP) for the spray coating process.
제조예 3: 코팅층 형성Preparation Example 3: Coating layer formation
CNF가 포함되지 않은 세라믹 코팅 조성물 (CS0)과 CNF가 첨가된 세라믹 코팅 조성물(상기 표 1의 CS1, CS3, CS5, 및 CS10) 5ml을 에어브러시(GP-50, sparmax)를 사용하여 9cm x 5cm 크기의 폴리프로필렌(PP) 플레이트 표면에 도포했다. 도포 후 60℃에서 3시간 동안 소결하였다.5 ml of the ceramic coating composition (CS0) without CNF and the ceramic coating composition (CS1, CS3, CS5, and CS10 in Table 1 above) to which CNF was added were applied using an airbrush (GP-50, sparmax) to a 9 cm x 5 cm It was applied to the surface of a polypropylene (PP) plate of the same size. After coating, it was sintered at 60° C. for 3 hours.
실시예 1: 코팅 표면의 거칠기(Ra) 분석Example 1: Roughness (Ra) analysis of coating surface
본 발명의 세라믹 코팅 조성물 표면의 거칠기를 확인하기 위하여, 3D 레이저 스캐닝 현미경(3D LSM)으로 분석하고 이를 바탕으로 수식을 사용하여 거칠기(Ra) 값을 계산하였다.In order to confirm the roughness of the surface of the ceramic coating composition of the present invention, it was analyzed with a 3D laser scanning microscope (3D LSM) and the roughness (Ra) value was calculated using a formula based on this analysis.
도 1에 나타난 바와 같이, 도 1 (a) 및 (f)의 CNF를 추가하지 않은 세라믹 코팅 조성물로 코팅한 CSO 코팅층 표면은 세라믹이 경화되었을 때 독특한 질감이 나타났다. 반면, 도 1 (b) 및 (g)의 CNF를 1% 첨가된 CS1의 표면은 섬유와 같은 모양이 관찰되었다. 또한, CNF의 섬유와 코팅층 표면에 나타나는 섬유 사이의 강한 인력으로 인해 응집이 발생하는 것을 확인하였다. 이로 인해서 CS0 표면과 달리, CS1의 표면 거칠기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, CS0의 표면보다 기공의 크기가 크고 기공의 수가 많은 것을 확인하였다. 한편, 도 1 (c) 및 (h)의 CS3, 도 1 (d) 및 (i)의 CS5, 도 1의 (e) 및 (i)의 CS10는 CNF 함량이 증가됨에 따라 CS0세라믹 질감을 찾을 수 없고, 섬유가 뭉쳐서 기공의 수와 크기가 증가하여 거칠기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 1, the surface of the CSO coating layer coated with the ceramic coating composition to which CNF was not added in FIGS. 1 (a) and (f) showed a unique texture when the ceramic was cured. On the other hand, the surface of CS1 to which 1% CNF was added in FIGS. 1 (b) and (g) was observed to have a fibrous shape. In addition, it was confirmed that aggregation occurred due to strong attraction between the fibers of the CNF and the fibers appearing on the surface of the coating layer. As a result, unlike the surface of CS0, it was confirmed that the surface roughness of CS1 increased. In addition, it was confirmed that the size of the pores was larger than that of the surface of CS0 and the number of pores was large. On the other hand, CS3 of FIGS. 1 (c) and (h), CS5 of FIGS. 1 (d) and (i), and CS10 of FIG. 1 (e) and (i) find a CS0 ceramic texture as the CNF content increases. It was confirmed that the number and size of pores increased due to aggregation of fibers, resulting in an increase in roughness.
다음으로, 도 2에 나타난 바와 같이, 도 1의 사진을 분석하여 거칠기를 분석하였으며, 구체적으로 거칠기(Ra)는 하기 수식을 사용하여 계산하였다.Next, as shown in FIG. 2, the roughness was analyzed by analyzing the photograph of FIG. 1, and the roughness (Ra) was specifically calculated using the following formula.
그 결과, CNF가 포함되지 않은 CS0의 Ra는 3.1368 ± 0.1036μm이고, CNF가 포함된 CS1은 6.1149 ± 0.3552 μm로 CSO 보다 2배 증가하는 것을 확인하였다. CS3는 7.4420 ± 1.4270μm, CS5는 15.6329 ± 1.9977μm, CS10은 46.3399 ± 2.7129μm 로 Ra값을 나타내었고 CNF 함량이 증가함에 따라 거칠기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the Ra of CS0 without CNF was 3.1368 ± 0.1036 μm, and that of CS1 with CNF was 6.1149 ± 0.3552 μm, which was twice as high as that of CSO. CS3 showed Ra values of 7.4420 ± 1.4270 μm, CS5 15.6329 ± 1.9977 μm, and CS10 46.3399 ± 2.7129 μm, and it was confirmed that the roughness increased as the CNF content increased.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 도 3의 (a), (f) 및 (k)는 CS0을, (b), (g) 및 (l)는 CS1을, (c), (h) 및 (m)은 CS3을, (d) (i) 및 (n)은 CS5를, (e), (j) 및 (o)는 CS10의 표면을 나타낸 것으로, 이로써 CNF 함량이 증가함에 따라, 표면에는 응집된 CNF가 노출되고 실리카 입자로 덮여 표면 거칠기가 더욱 증가되는 것을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in FIG. 3, (a), (f) and (k) of FIG. 3 indicate CS0, (b), (g) and (l) indicate CS1, (c), (h) and (m) shows CS3, (d) (i) and (n) show CS5, and (e), (j) and (o) show the surface of CS10. As the CNF content increases, the surface It was confirmed that the aggregated CNF was exposed and covered with silica particles to further increase the surface roughness.
실시예 2: 소수성 분석Example 2: Hydrophobicity analysis
SEM-EDX를 사용하여 본 발명의 실리카 코팅 조성물로 코팅된 코팅층 표면의 원소를 분석하여 소수성을 확인하였다.Hydrophobicity was confirmed by analyzing elements on the surface of the coating layer coated with the silica coating composition of the present invention using SEM-EDX.
그 결과 도 4에 나타낸 바와 같이, SEM-EDX의 분석으로 CS5 표면에 Si 원소가 주로 표면에 분포하고 O 및 C 원소가 존재함을 알 수 있었다. 이를 통해, 친수성인 CNF 성분은 직접 노출되지 않고, CNF 상에 실리카 입자로 덮여 소수성을 유지하는 것임을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 4, SEM-EDX analysis showed that Si elements were mainly distributed on the surface of CS5 and O and C elements were present. Through this, it was confirmed that the hydrophilic CNF component was not directly exposed, but was covered with silica particles on the CNF to maintain hydrophobicity.
실시예 3: 코팅 표면의 물 접촉각 분석Example 3: Analysis of the water contact angle of the coating surface
폴리에서트 원단 및 본 발명의 실리카 코팅 조성물로 코팅된 코팅층(CS0, CS1, CS3, CS5, CS10) 표면의 물 접촉각을 분석하였다. The water contact angle of the surface of the polyester fabric and the coating layer (CS0, CS1, CS3, CS5, CS10) coated with the silica coating composition of the present invention was analyzed.
그 결과, 도 5 내지 도 6에 나타난 바와 같이, CNF 함량이 증가함에 따라 접촉각이 증가하는 것을 확인하였고 이는 CNF를 함량이 증가할수록 발수 및 소수성 효과를 나타내는 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIGS. 5 and 6, it was confirmed that the contact angle increased as the CNF content increased, and it was confirmed that the water-repellent and hydrophobic effect was exhibited as the CNF content increased.
또한, 도 7 내지 도 8에 나타난 바와 같이, 폴리에스터 원단, 폴리에스터 원단 상에 CNF를 포함하지 않은 세라믹 조성물 CS0 및 폴리에스터 원당 상에 CNF를 포함한 세라믹 조성물 C10을 비교한 결과, 폴리에스터 원단의 접촉각은 126.1이고 물 액적이 원단에 스며들 때까지 소요된 시간은 225.4초 이고, CS0의 접촉각은 128.0, 물 액적이 원단에 스며들 때까지 소요된 시간은 463.5초로 2배 가량 증가함을 확인하였다. 이를 통해, 본 발명의 세라믹 코팅 조성물이 코팅된 CS10은 접촉각이 131.6으로 증가하였고, 물 액적이 원단에 스며들 때까지 소요된 시간은 2455.3초로 10배 이상으로 증가하여, 소수성이 향상된 섬유 직조물을 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in FIGS. 7 to 8, as a result of comparing the ceramic composition CS0 without CNF on the polyester fabric and the ceramic composition C10 including CNF on the polyester raw sugar, the polyester fabric The contact angle was 126.1 and the time taken for the water droplet to permeate the fabric was 225.4 seconds, and the contact angle of CS0 was 128.0, and the time required for the water droplet to permeate the fabric was 463.5 seconds, which doubled. . Through this, the contact angle of CS10 coated with the ceramic coating composition of the present invention increased to 131.6, and the time required for water droplets to permeate into the fabric increased more than 10 times to 2455.3 seconds, providing a woven fabric with improved hydrophobicity. I was able to confirm that it could be done.
아울러, 도 9에 나타난 바와 같이, 폴리에스터 원단에 본 발명의 소수성 코팅 조성물 CS10이 코팅되어도 유연성이 여전히 유지되는 것을 확인하였다.In addition, as shown in FIG. 9, it was confirmed that flexibility was still maintained even when the hydrophobic coating composition CS10 of the present invention was coated on the polyester fabric.
본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3을 종합하면, CNF가 포함된 본 발명의 세라믹 코팅 조성물은 친수성인 CNF를 포함하여도 CNF 상에 세라믹 입자가 코팅되어 소수성을 잃지 않고, CNF 함량증가에 따라 표면거칠기(Ra)가 증가하여 발수 및 소수성 효과가 증가되는 것을 확인할 수 있었다.In summary of Examples 1 to 3 of the present invention, the ceramic coating composition of the present invention containing CNF does not lose hydrophobicity as the ceramic particles are coated on CNF even if it contains hydrophilic CNF, and as the CNF content increases, It was confirmed that the surface roughness (Ra) increased and the water repellent and hydrophobic effect increased.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention should be construed as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later and equivalent concepts rather than the detailed description above are included in the scope of the present invention.
Claims (18)
펄프를 물에 넣어 균질기로 분산한 후 원심분리기로 농축하여 셀룰로오스나노섬유(CNF)를 제조하는 제2단계;
상기 실리카졸, 셀룰로오스나노섬유 및 제1용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제3단계; 및
상기 혼합물에 제2용매를 혼합하여 롤링하는 제4단계;를 포함하는, 세라믹 코팅 조성물 제조방법으로서,
상기 실리카 입자의 크기는 40nm 내지 60nm인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
A first step of dispersing silica particles in water to form a silica sol in the form of a colloidal sol;
A second step of preparing cellulose nanofibers (CNF) by dispersing the pulp in water with a homogenizer and then concentrating the pulp with a centrifuge;
A third step of preparing a mixture by mixing the silica sol, cellulose nanofibers and the first solvent; and
A method for producing a ceramic coating composition comprising a; fourth step of mixing and rolling a second solvent in the mixture,
The size of the silica particles is 40nm to 60nm, ceramic coating composition manufacturing method.
상기 펄프는 경목 펄프, 연목 펄프, 탈목 펄프, 또는 비목재 펄프를 포함하는, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The method of producing a ceramic coating composition, wherein the pulp comprises hardwood pulp, softwood pulp, dewood pulp, or non-wood pulp.
상기 제2단계의 분산은 500rpm 내지 2,000rpm 에서 수행되는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The dispersion of the second step is a ceramic coating composition manufacturing method that is performed at 500 rpm to 2,000 rpm.
상기 제2단계의 셀룰로오스 나노섬유는 1.5wt% 내지 5wt%로 농축하는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The cellulose nanofibers of the second step are concentrated to 1.5wt% to 5wt%, a ceramic coating composition manufacturing method.
상기 실리카졸 대비 셀룰로오스 나노섬유의 중량은 1 내지 10 중량%로 포함하는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The weight of the cellulose nanofibers compared to the silica sol is to include 1 to 10% by weight, a ceramic coating composition manufacturing method.
상기 제1용매는 에틸 실리케이트, 이소프로필알콜, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein the first solvent includes ethyl silicate, isopropyl alcohol, or a combination thereof.
상기 제3단계의 혼합은 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The mixing of the third step is performed for 1 hour to 2 hours, a method for producing a ceramic coating composition.
상기 제2용매는 염산, 포름산, p-톨루엔설폰산(PTSA), 폴리(디메틸실록산), 메틸트리메톡시실란, 계면활성제, 이소프로필알콜 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The second solvent includes hydrochloric acid, formic acid, p-toluenesulfonic acid (PTSA), poly(dimethylsiloxane), methyltrimethoxysilane, a surfactant, isopropyl alcohol, or a combination thereof, Ceramic Coating Composition Preparation Way.
상기 제4단계의 롤링은 0.5 시간 내지 2시간 동안 수행하는 것인, 세라믹 코팅 조성물 제조방법.
According to claim 1,
The method of producing a ceramic coating composition, wherein the rolling of the fourth step is performed for 0.5 to 2 hours.
A ceramic coating composition prepared by the method of claim 1.
상기 세라믹 코팅 조성물은 실리카 입자; 및
셀룰로오스나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)를 포함하는 것인, 세라믹 코팅 조성물.
According to claim 11,
The ceramic coating composition may include silica particles; and
A ceramic coating composition comprising cellulose nanofibers (CNF).
상기 실리카 입자 대비 셀루로오스 나노섬유의 중량은 1 내지 10 중량%로 포함하는 것인, 세라믹 코팅 조성물.
According to claim 12,
The weight of the cellulose nanofibers compared to the silica particles is to include 1 to 10% by weight, the ceramic coating composition.
상기 실리카 입자는 콜로이드졸 형태인 것인, 세라믹 코팅 조성물.
According to claim 12,
The silica particles are in the form of a colloidal sol, a ceramic coating composition.
상기 세라믹 코팅 조성물은 스프레이 코팅용인 것인, 세라믹 코팅 조성물.
According to claim 12,
The ceramic coating composition is for spray coating, the ceramic coating composition.
상기 세라믹 코팅 조성물의 점도는 1cP 내지 1100cP인, 세라믹 코팅 조성물.
According to claim 12,
The viscosity of the ceramic coating composition is 1cP to 1100cP, the ceramic coating composition.
A water-repellent coating method, wherein the ceramic coating composition according to any one of claims 11 to 16 is coated on a substrate by a spray method.
상기 기재는 플라스틱 또는 섬유를 포함하는 것인, 발수 코팅 방법.
According to claim 17,
The substrate is a water-repellent coating method comprising plastic or fiber.
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