KR20050069732A - 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물 - Google Patents

실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 코어 부분은 실리콘 아크릴 및 소수성 아크릴 모노머로 이루어지고, 쉘 부분은 우레탄 사슬로 이루어진 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법에 따른 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지는 종래의 아크릴우레탄 수지의 우수한 물성을 그대로 유지하면서 실리콘 화합물을 적용하여 부착성, 내마모성, 내화학성 등이 우수할 뿐만 아니라, 기존의 아크릴-우레탄 수지의 최대 단점인 내수성이 개선되어 도막 형성시 광택과 내오염성, 내열성이 우수한 장점이 있다.

Description

실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물 {Preparing method for water dispersable silicon-acryl-urethane resin and aqueous coating composition for automobile containing said water dispersable silicon-acryl-urethane resin}
본 발명은 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 종래의 아크릴우레탄 수분산 수지의 우수한 물성을 그대로 유지시키면서 실리콘 화합물을 적용하여 내수 부착성 및 내열성을 극대화시킨, 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물에 관한 것이다.
최근 환경규제에 따른 휘발성 유기 화합물질(VOC)의 규격이 전세계적으로 강화되고 있으며, 각국에서는 기존의 용제형 도료에서 수계화시킨 수성도료를 개발, 진행 중에 있으며, 자동차업계의 경우도 마찬가지로 자동차용 수성도료 전용공장 등을 설립하여 환경규제에 적극 대응하고 있다. 특히 구미에서의 탈용제화의 움직임이 다른 지역보다 빠르며, 유럽의 경우 1999년 시점에 베이스 코트의 수성화가 50%를 넘었다고 보고된 바 있다.
수계도료의 경우는 용제계 도료와는 달리 도료의 휘발성분의 대부분이 물로 이루어져 휘발분의 건조가 늦어져 도막 형성시 새깅(sagging)이 떨어지고, 얼룩현상과 색분리 현상이 나타나게 된다. 특히, 산성비에 노출이 될 경우 부착성이 떨어지며 내산성과 내후성 문제가 발생된다. 이런 문제점들을 보완하기 위해 내산성, 내알칼리성, 내약품성에 우수한 물성을 나타내는 우레탄과 부착력이 우수한 아크릴로 이루어진 아크릴-우레탄 수지의 제조법이 개발되었다.
종래 수성 베이스 코트용 아크릴-우레탄 제조 및 특징과 그 물성에 대해서는 미국 특허 제5,071,904호; 제5,173,526호; 제5,314,942호; 제5,356,973호; 제5,510,148호; 제5,739,194호; 제5,854,332호 등에 기재되어 있다. 상기 미국 특허에 기재된 아크릴-우레탄 수지들은 고형분이 30% 이상으로 하이 솔리드화되어 있으며 빠른 건조 속도를 가지고 있는 장점이 있으나, 모두 내수 부착성이 불량하고, 도막 형성시 광택, 색상 및 보색성이 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 종래의 아크릴우레탄 수분산 수지의 우수한 물성을 그대로 유지시키면서 실리콘 화합물을 적용하여 종래의 아크릴-우레탄 수지의 최대 단점인 내수성을 증가시키고, 부착성 및 내열성을 극대화시킬 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 우수한 내수성을 가지며, 부착성, 내마모성, 내화학성 등이 우수한 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 따라 제조된 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계 도료 조성물을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법은:
(a) 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 100중량%를 기준으로,
ⅰ) 폴리올 20∼30중량%, 이소시아네이트 15∼25중량%, 및 두개 이상의 수산기와 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물 5∼10중량%, 용제 8∼20중량%를 반응시켜 폴리우레탄 프리폴리머를 제조하는 단계,
ⅱ) 상기 폴리우레탄 프리폴리머에 존재하는 산 당량수에 대해 1~5중량%의 3가 아민을 첨가하여 중화시킨 후, 물 30~50중량%를 첨가하여 폴리우레탄 수분산 수지를 제조하는 단계, 및
ⅲ) 상기 수분산 수지에 존재하는 미반응 이소시아네이트에 대해 0.5~1중량%의 쇄연장제를 첨가하여 쇄연장시켜 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지를 제조하는 단계; 및
(b) 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 100중량%를 기준으로, 상기 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 30∼50중량%를 개시제 0.1~0.5중량%의 존재하에서 실리콘 아크릴 모노머 1∼10중량%, 소수성 아크릴 모노머 20∼30중량% 및 하나 이상의 하이드록시기를 갖는 아크릴 모노머 15∼25중량%와 반응시킨 후 물 13~20중량% 첨가하고, DMEA(Di Methyl Ethanol Amine) 0.1~1중량%로 중화시켜 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체를 제조하는 단계를 포함하며;
상기 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체의 코어 부분은 실리콘 아크릴 및 소수성 아크릴 모노머로 이루어지고 쉘 부분은 우레탄 사슬로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차용 수계 도료 조성물은 상기 방법에 따라 제조된 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지를 함유한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 종래의 아크릴우레탄 수지의 우수한 물성을 그대로 유지시키면서 실리콘 화합물을 적용하여 부착성, 내마모성, 내화학성 등이 우수할 뿐만 아니라, 기존의 아크릴-우레탄 수지의 최대 단점인 내수성을 개선시킨 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법 및 상기 수분산 수지를 함유하는 자동차용 수계도료 조성물이 제공된다.
이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
(1) 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법
본 발명에 따른 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지는 우레탄 수지와 실리콘 아크릴, 소수성 아크릴 모노머 및 하나 이상의 하이드록시기를 갖는 아크릴 모노머와의 공중합에 의해서 제조된다.
본 발명의 실리콘-아크릴-우레탄 수지는 고온 고습 조건에서 기존 아크릴-우레탄 수지보다 양호한 레올러지 성향을 나타내어 우수한 외관을 유지한다. 특히, 중도와 탑 코트(top coat)와의 부착성이 뛰어나고 내수 부착성이 상당히 개선되었다.
본 발명에 따른 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지는 폴리올과 이소시아네이트를 두 개 이상의 수산기 및 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물과 반응시켜 우레탄 수지를 제조한 후, 이를 우레탄 3가 아민으로 중화한 후 수지에 물을 첨가하여 수분산시키고, 쇄연장제를 사용하여 분자량을 조절한다. 이로부터 얻어진 우레탄 수분산 수지에 개시제와 실리콘 아크릴 모노머, 소수성 아크릴 모노머 및 하나 이상의 하이드록시기를 갖는 아크릴 모노머를 혼합하여 중합을 진행한다.
이하 본 발명의 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
(a) 폴리우레탄 수분산 수지 제조 방법
먼저, 폴리올과 이소시아네이트를 두 개 이상의 수산기 및 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물과 반응시켜 폴리우레탄 프리폴리머를 제조한다. 폴리올과 과량의 이소시아네이트를 첨가하여 말단이 이소시아네이트로 이루어진 폴리우레탄 프리폴리머를 제조하는데, 반응 초기에 폴리올을 완전히 녹인 다음 이소시아네이트를 투입하여 반응을 진행한다.
상기 폴리올로는 통상적으로 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올, 폴리 카보네이트 폴리올, 폴리 카프로락톤 폴리올을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 폴리에테르 및 폴리에스테르 타입의 디올을 사용하는 것이 좋고, 이들의 수산가는 53∼59mgKOH/g이며, 분자량은 500∼2000인 것이 좋다. 이때, 상기 폴리올의 사용량은 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 100중량%에 대하여, 20∼30중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 20중량% 미만이면 내수성이 감소하고, 30중량%를 초과하면 수지 합성 안정성이 불량해지는 점이 있다.
상기 이소시아네이트로는 톨루엔 디이소시아네이트, 4,4`-헥사 페닐 메탄 디이소시아네트, 4,4`-디사이클로 헥실 메탄 디이소시아네이트, 1,6-헥사 메틸렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트 중에서 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 이소시아네이트의 사용량은 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 100중량%에 대하여, 15∼25중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 15중량% 미만이면 내용제성 및 내화학성이 감소하고, 25중량%를 초과하면 도막형성시 용제에 대한 스웰링(Swelling)이 감소하여 도막(Film)형성이 잘 되지 못한다.
한편, 음이온성 폴리우레탄 분산체의 음이온성기로는 카르복시기와 술폰기가 있는데, 카르복시기가 좋은 수분 저항성과 우수한 분산성을 가지고 있어 본 발명에서는 음이온성 폴리우레탄 분산체의 음이온성기로서 두개 이상의 수산기 및 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물을 적용하였다. 상기 두개 이상의 수산기 및 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물로는 디메틸 프로피오닉 에시드(DMPA)나 디메틸 부타노익 에시드(DMBA)를 사용할 수 있다. 이때, 상기 두개 이상의 수산기 및 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물의 사용량은 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 100중량%에 대하여, 5∼10중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 5중량% 미만이면 부착성이 감소하고, 10중량%를 초과하면 내수성이 오히려 감소하게 된다.
또한, 용제로는 NMP(N-메틸피롤리돈)를 사용하는 것이 바람직하며 그 사용량은 8∼20중량%가 바람직하다.
상기와 같이 구성된 음이온성 폴리우레탄 프리폴리머는 3가 아민이 첨가되어 중화되는데, 상기 3가 아민으로는 트리에틸아민, 디메틸 에탄올 아민 등을 사용할 수 있고, 그 사용량은 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 100중량%에 대하여, 1~5중량%가 적당하며, 입자 크기를 조절하는 중화도는 60∼80%가 바람직하다.
중화 후 수지에 물이 첨가되면서 수분산이 진행되는데, 이때 이소시아네이트와의 반응 안정성을 위해서 수분산은 30∼40℃의 온도에서 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 수분산 수지는 쇄연장제가 첨가되어 쇄연장되는데, 상가 쇄연장제로는 최소한 두개 이상의 반응기를 가지는 1가 또는 2가 디아민을 사용할 수 있으며, 그 사용량은 이소시아네이트 당량비에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 상기 쇄연장제의 사용량은 미반응 이소시아네이트에 대하여 0.5∼1중량%인 것이 좋다. 상기 쇄연장제로는 이소포론 디아민, 하이드라진, 에틸렌 디아민, 디에틸렌 디아민, 디에틸렌 트리아민, 트리에틸아민, 헥사 메틸렌 디아민 등의 아민계 종류가 사용될 수 있다. 한편, 상기 쇄연장시 반응온도는 80℃, 바람직하게는 60℃ 이하에서 진행되는 것이 좋다.
(b) 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 제조 방법
상기와 같이 제조된 우레탄 수분산 수지를 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 100중량%에 대하여, 30∼50중량%, 개시제 0.1~0.5중량%의 존재하에서 실리콘 아크릴 모노머 1∼10중량%, 소수성 아크릴 모노머 20∼30중량% 및 하나 이상의 하이드록시기를 갖는 아크릴 모노머 15∼25중량%를 혼합하여 중합을 계속 진행한 후 물 13~20중량%를 첨가하고, DMEA(Di Methyl Ethanol Amine) 0.1~1중량%로 중화시켜 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지를 얻는다.
상기 개시제로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 수용성 또는 유용성 개시제를 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 특히 반응 온도가 60∼80℃에서 사용될 수 있는 개시제를 사용하는 것이 좋다. 일례로는 BPO(Benzoyl Per Oxide) 또는 AIBN(2,2-Azo bis-Iso Butyro Nitrile) 등이 있다.
상기 실리콘 아크릴 모노머의 경우, 표면 장력이 낮고 모노머 자체가 소수성을 띄어 발수성이 뛰어나며, 말단에 하이드록시기를 가지고 있어 도료 적용시 멜라민과 경화 반응하여 뛰어난 부착성을 가지게 된다. 또한, 실리콘이 가지는 우수한 성질을 도입함으로써 도막 형성시 광택과 내오염성, 내열성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 실리콘 아크릴 모노머는 메타크릴록시 프로필 트리메톡시실란 및 메타크릴록시 프로필 트리에톡시 실란을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 그 사용량은 상기 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 100중량%에 대하여 1∼10중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 1중량% 미만이면 실리콘 아크릴 모노머 적용 효과(부착성, 내열성)가 나타나지 않게 되며, 10중량%를 초과하면 중합시 합성 안정성이 떨어지게 된다.
상기 소수성 아크릴 모노머로는 스타이렌, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트 및 이소 부틸 아크릴레이트 중 어느 하나를 단독으로 사용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 그 사용량은 상기 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 100중량%에 대하여 20∼30중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 20중량% 미만이면 실리콘 아크릴 모노머와의 상용성이 나오지 않게 되어 중합이 제대로 진행되지 않으며, 30중량%를 초과하면 중합시 합성 안정성이 불량해진다.
상기 하나 이상의 하이드록시기를 갖는 아크릴 모노머로는 2-하이드록시 에틸 아크릴레이트, 2-하이드록시 프로필 아크릴레이트, 2-하이드록시 부틸 아크릴레이트, 2-하이드록시 메타크릴레이트, 2-하이드로 프로필 메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디아크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,4-부탄디올 디아크릴레이트, 1,4-부탄디올 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택하여 사용할 수 있다. 이때, 그 사용량은 상기 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 100중량%에 대하여 15∼25중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 15중량% 미만이면 광택이 불량해지고, 25중량%를 초과하면 오히려 내수성이 감소한다.
상기와 같이 얻어진 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체는 종래의 아크릴-우레탄 공중합체에 비하여 내수성이 크게 증가되었으며, 도막 형성시 광택과 내오염성 및 내열성이 향상되었다.
(2) 자동차용 수계 도료 조성물
본 발명에 따른 수계 도료 조성물은 상기 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지를 함유하며, 물, 용제, 안료, 소포제, 증점제, 경화제, pH 조절제 및 필요에 따라 기타 첨가제를 더욱 포함한다.
상기 실리콘-아크릴-우레탄 수지는 수계 도료 바인더 수지로서 그 사용량은 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 30∼60중량%인 것이 좋고, 상기 사용량이 30중량% 미만이면 웨팅성(Wetting)이 감소하고, 60중량%를 초과하면 도막 형성시 크랙(Crack)이 발생하는 문제가 있다.
물은 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 20∼30중량%의 양으로 사용하는 것이 좋고, 용제는 에틸 셀로설브, 부틸 셀로설브, 헥실 셀로설브, N-메틸-2-피롤리돈, N-프로필알콜, 이소프로필 알콜, n-부탄올, 부틸카르비톨 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 그 사용량은 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 10∼20중량%인 것이 좋다.
한편, 안료는 백색 안료로서 TiO2를 사용하는 것이 좋고, 그 사용량은 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 10∼20중량%인 것이 좋고, 체질 안료로는 황산바륨, 실리카 등을 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 5∼10중량%의 양으로 사용하는 것이 좋다.
상기 소포제로는 불소 변성 실록산계, 폴리실록산 에멀젼, 유기 변성 실록산계를 사용할 수 있고, 그 사용량은 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 0.1∼1.0중량%인 것이 바람직하다.
상기 증점제로는 아크릴계 증점제와 우레탄계 증점제, 용융 실리카, 셀루로즈계 증점제, 벤톤계 증점제 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 그 사용량은 전체 도료 조성물 100중량%에 대하여 0.1∼3.0중량%, 상기 pH 조절제는 디에탄올 아민 등을 0.1∼1.0중량%의 양으로 사용할 수 있고, 이외에도 필요에 따라 기타 첨가제를 더욱 첨가하여 사용할 수 있다.
이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1∼3 및 비교예 1∼3
하기 표 1에 나타낸 성분 조성(단위: 중량%)에 따라 다음과 같이 실리콘-아크릴 우레탄 수분산 수지를 각각 제조하였다.
교반기, 환류 냉각기, 질소 주입구, 온도계가 장착된 2000㎖ 4구 플라크스에 U 1410(Union 화성, 폴리 에스테르 디올, 분자량 2,000), HMDI(Bayer사 디이소시아네이트), IPDI(Bayer사, 이소시아네이트), DMBA(Dimethylol Butanonic acid), NMP, DBTDL(Dibutyltin dilaurate)을 투입하고 질소 분위기하에서 3시간 동안 90℃에서 반응시킨다. NCO%를 측정하여 3.5% 이내이면 반응물의 온도를 상온으로 냉각시키고 TEA(Triethylamine)를 투입하여 중화시킨다. 약 30분 후에 증류수를 가하여 NCO 말단 그룹을 갖는 폴리우레탄 프리폴리머 분산체를 얻는다. 쇄연장은 남은 사슬말단 NCO와 같은 양론비의 HH(Hydrazine Hydrate)를 가하여 2시간 동안 상온에서 교반하여 수행한다. 이후 AIBN(2,2-Azo bis-Iso Butyro Nitrile), SM(Styrene Monomer), 2-EHA(2-Ethyl Hydroxyl Acylate), 5% Silicone Acryl(gama-Methacrylox Propyl Trimethoxy Silane)를 혼합하여 프리 에멀젼을 제조하고 이를 플라스크에 2시간에 걸쳐 투입한다. 이때의 반응 온도는 75∼80℃로 유지하였다. 반응 종결 후 DMEA(Di Methyl Ethanol Amine)를 가하여 중화하는데, pH는 8.0∼8.5로 조절한다.
성분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
U 1410 112.3 112.5 112.4 112.2 112.4 112.3
HMDI 33.7 33.8 33.6 33.8 33.5 33.8
IPDI 58.5 58.4 58.6 58.8 58.5 58.6
DMBA 36.8 36.7 36.5 37.2 37.1 37.3
NMP 80 80 80 80 80 80
DBTDL 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
TEA 6.7 6.8 6.8 6.7 6.8 6.8
DIW 167.9 167.7 168.0 167.2 167.6 167.1
HH 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9
계 500 500 500 500 500 500
상기 제조된 수지 170 170 170 170 170 170
AIBN 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
Silicon acryl 38.8 21.6 7.1 - - -
SM 115.2 123.8 130.5 143.6 98.2 119.7
2-EHA 85.5 94.1 101.9 95.8 141.1 119.8
DIW 86.1 86.1 86.1 86.1 86.1 86.1
DMEA 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7
계 500 500 500 500 500 500
한편, 이로부터 얻어진 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체의 물성을 다음과 같이 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 부착성 : 유리판에 100㎛ 두께로 필름을 제조하여 완전 건조 후, 2㎜ 크로스-컷 후 테이핑(Taping) 테스트.
2) 내수성 : 유리판은 알코올과 톨루엔 혼합액으로 충분히 씻은 후 건조하여 사용하며, 유리판에 100㎛ 두께로 필름을 제조하여 완전 건조 후 물을 1㎖ 떨어뜨려(drop) 흡수 및 외관 상태를 관찰.
3) 연필 경도 : 미쯔비시 UNI 연필을 사용. 유리판에 100㎛ 두께로 필름을 제조하여 완전 건조 후 표면 스크래치 발생 및 도막 파괴시 연필 경도를 측정.
물성 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
점도(cps) 35.2 32.8 34.2 33.9 33.6 35.2
입자경(㎚) 205 198 204 211 208 216
부착성 우수 양호 우수 불량 보통 양호
내수성 우수 우수 양호 보통 보통 보통
연필경도 HB HB B HB B B
상기 표 2의 결과로부터, 본 발명에 따른 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체가 부착성, 내수성, 연필 경도 등의 물성에 있어서 종래의 아크릴-우레탄 공중합체보다 우수함을 알 수 있다.
실시예 4∼6 및 비교예 4∼6
상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에서 각각 제조된 수분산 수지를 사용하여 하기 표 3에 나타낸 성분 조성(단위: 중량%)에 따라 도료를 제조하였다.
원료명 배합량(중량%) 비 고
합성수지 41 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3의 수분산 수지
물 26 증류수
용제 12 부틸셀로셀브, N-프로필알콜 1:1 혼합물
백색 안료 11 TiO2
체질 안료 6.5 황산바륨, 실리카 1:1 혼합물
소포제 0.5 실리콘계 소포제
증점제 1.5 아크릴계 증점제
경화제 1.0 멜라민 경화제
pH 조절제 0.5 디메틸 에탄올 아민
계 100
한편, 이로부터 각각 제조된 도료의 물성을 다음과 같이 측정하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
1) Ford cup : 점도컵의 일종으로 일정용량의 원통형 용기에 도료를 가득 채워, 그 바닥에 있는 구멍으로부터 도료가 전부 유출되는데 걸리는 시간을 측정함.
2) 도막 두께 : 본 발명의 실리콘-아크릴-우레탄 함유 도료 조성물의 도장 두께는 12∼15㎛을 규정 도막으로 함.
3) 클리어 도막 : 본 발명의 도료 조성물 도장 소지의 후속 도장되는 것으로 도막에 광택 등의 외관과 내화학적 및 물리적 내구성을 부여한다. 규정 도막 두께는 30∼35㎛임.
4) 외관 : 미국 Perceptron 사에서 제조한 자동차 외관 측정기기인 QMS로 도막의 색선명도, 광택, 레벨링을 측정함. 색선명도는 표면의 미세한 요철, 평면의 평활성, 칠막과 같은 표면층의 투명도를, 광택은 감각적인 척도(광택감)를 물리적인 수치로 나타냄.
5) 내후성 : 촉진 시험기기인 W-O-M에 720시간 방치 후, 광택, 색차, 부착성을 측정함.
6) 내산성 : 5% 황산 수용액으로 스팟(Spot) 시험 후 필름의 광택 손실, 얼룩, 변색 등의 발생 정도를 측정함.
7) 내습성 : 온도 50℃, 습도 98% 조건에서 72시간 시험 후, 연화, 블리스터 발생 정도를 측정함.
8) 내용제성 : 자일렌이 묻은 면포를 올려 놓음. 매분 손톱(2Kg의 힘)으로 5회 긁어 필름의 상태를 측정함.
9) 내열성 : 70℃ 오븐에 360 시간 방치 후, 박리시 필름의 파손 정도와 기포흔적을 측정함.
실시예 4 실시예 5 실시예 6 비교예 4 비교예 5 비교예 6
사용된 수분산 수지 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
도료 점도(Ford Cup #4, 23℃) 53 54 56 55 53 54
도막 두께 (㎛) 15∼20 15∼20 15∼20 15∼20 15∼20 15∼20
클리어 도장 두께 (㎛) 35∼40 35∼40 35∼40 35∼40 35∼40 35∼40
외관 색선명도 72 74 75 72 53 51
광 택 66 65 68 64 46 47
내후성 우수 우수 양호 양호 보통 양호
내산성 우수 우수 우수 보통 양호 보통
내수성 우수 우수 우수 양호 불량 보통
내습성 우수 우수 우수 양호 보통 보통
내용제성 우수 양호 우수 보통 양호 양호
내열성 우수 우수 우수 양호 보통 불량
이상의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 실리콘이 함유된 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지는 종래의 아크릴-우레탄 수지에 비하여 부착성, 내수성, 연필 경도 등이 우수함을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실리콘-아크릴-우레탄 공중합 수지를 자동차용 수계 도료에 적용하였을 경우, 도막의 내수 부착성 및 내열성이 증대되는 효과가 있고 광택이 뛰어나며, 내용제성 및 내열성이 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

  1. (a) 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 100중량%를 기준으로,
    ⅰ) 폴리올 20∼30중량%, 이소시아네이트 15∼25중량%, 및 두개 이상의 수산기와 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물 5∼10중량%, 용제 8~20중량%를 반응시켜 폴리우레탄 프리폴리머를 제조하는 단계,
    ⅱ) 상기 폴리우레탄 프리폴리머에 존재하는 산 당량수에 대해 1~5중량%의 3가 아민을 첨가하여 중화시킨 후, 물 30~50중량%를 첨가하여 폴리우레탄 수분산 수지를 제조하는 단계, 및
    ⅲ) 상기 수분산 수지에 존재하는 미반응 이소시아네이트에 대해 0.5~1중량%의 쇄연장제를 첨가하여 쇄연장시켜 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지를 제조하는 단계; 및
    (b) 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체 100중량%를 기준으로, 상기 쇄연장된 폴리우레탄 수분산 수지 30∼50중량%를 개시제 0.1~0.5중량%의 존재하에서 실리콘 아크릴 모노머 1∼10중량%, 소수성 아크릴 모노머 20∼30중량% 및 하나 이상의 하이드록시기를 갖는 아크릴 모노머 15~25중량%와 반응시킨 후 물 13~20중량% 첨가하고, DMEA(Di Methyl Ethanol Amine) 0.1~1중량%로 중화시켜 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체를 제조하는 단계를 포함하며;
    상기 실리콘-아크릴-우레탄 공중합체의 코어 부분은 실리콘 아크릴 및 소수성 아크릴 모노머로 이루어지고 쉘 부분은 우레탄 사슬로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리올은 폴리에테르 폴리올 및 폴리에스테르 폴리올 중 하나 이상 선택되며, 그 수산가가 53∼59mgKOH/g이고, 분자량이 500∼2000인 것을 특징으로 하는 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 두개 이상의 수산기 및 하나 이상의 카르복시기를 갖는 화합물은 디메틸 프로피오닉 에시드 및 디메틸 부타노익 에시드를 단독 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 아크릴 모노머는 메타크릴록시 프로필 트리메톡시실란 및 메타크릴록시 프로필 트리에톡시 실란을 단독 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘-아크릴-우레탄 수분산 수지의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 실리콘-아크릴-우레탄 수지를 함유하는 자동차용 수계 도료 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수계 도료 조성물은 물, 용제, 백색 안료, 체질 안료, 소포제, 증점제 및 pH 조절제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 수계 도료 조성물.
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