KR20110067582A - 환경 친화성 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이고, 구체적으로 제조와 도장 과정에서 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Components)을 전혀 발생시키지 않는 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다. 세라믹 도료 조성물은 증류수 16.0 내지 20.0 wt%에 고형분 20 내지 45%의 실리카 졸 20 내지 30 wt%을 반응시킨 제1 반응액과 증류수 4.0 내지 6.0 wt%에 KOH 4.5 내지 6 wt%와 Al₂(OH)₃ 0.08 내지 0.10 wt%를 반응시킨 제2 반응액을 혼합하여 형성된 바인더; 및 35.0 내지 45 wt%의 충진재를 포함한다.

세라믹, 실리카 졸, 충진재, 고형분, 바인더

Description

환경 친화성 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법{Ceramic Paint Composition with Ecology-Friendly Property and Method for Producing the Same}

본 발명은 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이고, 구체적으로 제조와 도장 과정에서 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Components)을 전혀 발생시키지 않는 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

바인더(binder), 경화제(Curing agent), 첨가제 및 안료를 포함하는 도료는 바인더 또는 경화제의 성분에 따라 유기 도료와 무기 도료로 나누어질 수 있다. 유기 도료는 아크릴 수지, 에폭시 수지 또는 에스테르 수지가 바인더 또는 경화제로 사용되고 무기 도료의 경우 실리카 또는 실리케이트가 바인더로 사용되고 소량의 수지가 경화제로 사용될 수 있다. 바인더와 경화제가 별도로 제조되어 도장 과정에서 혼합되는 2액형 유기도료는 휘발성 유기 화합물을 발생을 발생시킬 수 있어 이에 대한 대안으로 수계도료 또는 분체도료가 개발되었다. 그러나 수계도료 또는 분체도료는 여전히 유기 성분의 수지를 포함하는 한편 도막 물성이 떨어지고 도장 작업이 복잡하다는 문제점을 가진다.

친환경성 도료는 제조 및 도장 과정에서 유기 성분은 적게 포함하면서 가능 하다면 전혀 포함하지 않고 도막 물성이 기존의 유기 도료와 동등하거나 또는 뛰어나야 할 필요가 있다. 아울러 도장 과정이 기존의 유기 도료에 비하여 복잡하지 않으면서 제조비용에 대한 부담이 크지 않아야 한다. 이와 같은 조건을 충족시키지 않는다면 실질적으로 유기 도료에 대한 대체 효과를 기대하기 어렵다고 할 것이다. 수계도료 또는 분체도료는 이러한 관점에서 현재 기술 개발 수준에서 기존 유기 도료의 대체 효과를 충분히 기대하기 어렵다고 할 것이다

본 발명은 유기 도료에 대한 대체 조건을 모두 가지는 한편 공지의 무기 도료의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 유기 성분을 전혀 포함하지 않거나 또는 필요한 최소의 양으로 포함하여 제조 또는 도장 과정에서 휘발성 유기 화합물이 전혀 발생하지 않는 환경 친화성을 가진 세라믹 도료 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 세라믹 도료 조성물은 증류수 16.0 내지 20.0 wt%에 고형분 20 내지 45%의 실리카 졸 20 내지 30 wt%을 반응시킨 제1 반응액과 증류수 4.0 내지 6.0 wt%에 KOH 4.5 내지 6 wt%와 Al₂(OH)₃ 0.08 내지 0.10 wt%를 반응시킨 제2 반응액을 혼합하여 형성된 바인더; 및 35.0 내지 45 wt%의 충진재를 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 충진재는 산화알루미늄(Al₂O₃), 티타늄 옥사이드 또는 탄산칼륨을 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 전체 도료 조성물 중량 대비 0.5 내지 1,5 wt%의 항균제를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 실리카 졸에서 실리카의 평균 입자의 직경은 5 내지 200 ㎚가 된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 세라믹 도료 조성물의 제조 방법은 증류수와 실리카 졸을 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계; 증류수에 KOH와 Al₂(OH)₃를 투입하면서 80 내지 100 ℃의 온도를 유지하면서 KOH를 완전히 용해시켜 제2 용액을 제조하는 단계;제2 용액을 제1 용액에 50 내지 70 ℃의 온도를 유지하면서 투입하는 단계; 제1 용액과 제2 용액이 완전히 반응하면 상온으로 냉각시키는 단계; 및 충진재를 첨가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제2 반응액은 30 내지 80초의 시간에 걸쳐서 제2 용액에 투입된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 충진재를 첨가하는 단계 이후에 충진재를 밀링 교반기에서 분쇄 및 교반하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 세라믹 도료는 유기 도료에 비하여 뛰어난 도막 물성을 나타내면서 제조 공정이 간단하고 도장 작업이 용이하다는 이점을 가진다. 이에 따라 기존의 유기 도료뿐 아니라 유기도료의 대안으로 개발되고 있는 수계도료 또는 분체도료를 대체할 수 있다는 장점을 가진다. 아울러 본 발명에 따른 세라믹 도료는 일액형 도료로 제조될 수 있어 배합에 따른 도막 물성의 편차를 방지할 수 있어 도막 물성의 균일성을 가져올 수 있다는 이점을 가진다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 도료 조성물의 제조과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 세라믹 도료 조성물의 제조 방법은 증류수와 실리카 졸을 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계(P11); 증류수에 KOH와 KOH와 Al₂(OH)₃를 투입하면서 80 내지 100 ℃의 온도를 유지하면서 KOH를 완전히 용해시켜 제2 용액을 제조하는 단계(P12); 제2 용액을 제1 용액에 50 내지 70 ℃의 온도를 유지하면서 투입하는 단계(P13); 제1 용액과 제2 용액이 완전히 반응하면 상온으로 냉각시키는 단계(P14); 및 충진재를 첨가하는 단계(P15)를 포함한다.

세라믹 도료 조성물의 제조를 위하여 먼저 증류수와 실리카 졸이 준비되고 실리카 졸을 증류수에 투입되어야 한다(P11). 증류수는 이온 교환수와 같이 알칼리 또는 산성 이온 성분을 포함하지 않은 물을 의미하고 pH가 7이 된다. 실리카 졸(Silica-sol)은 실리카 또는 이산화규소(SiO₂)가 콜로이드 상태로 존재하는 콜로이드 실리카를 말한다. 콜로이드 실리카는 액체상(liquid phase)으로 존재하는 무정형의 구형 실리카로 알칼리 실리케이트(alkali silicate)로부터 만들어질 수 있다. 콜로이드 실리카는 1~5 ㎚의 크기를 가지는 실리카 핵으로부터 만들어지고 예를 들어 아래와 같이 실란으로부터 만들어질 수 있다.

SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2 H₂O

실리카 핵은 pH가 7보다 큰 용액에서 서로 분리되어 점차로 성장하게 되어 실리카 졸(silica sol) 또는 콜로이드 서스펜션(colloid suspension)을 형성하게 되고 전기적으로 음성을 띠게 된다. 실리카 졸 또는 콜로이드 실리카는 pH 조절제에 의하여 안정된 상태를 유지하고 콜로이드 실리카의 고형분의 양은 실리카 입자의 크기에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어 실리카 입자의 평균 직경이 50 ㎚가 된다면 고형분은 50 wt%가 될 수 있는 반면 실리카 입자의 평균 직경이 10 ㎚라면 단지 고형분은 30 wt%까지만 만들어질 수 있다.

본 발명에 따른 세라믹 도료의 제조를 위한 실리카 졸의 평균 직경은 10 내지 200 ㎚가 될 수 있고 고형분은 30 내지 50 wt%, 바람직하게 30 내지 40 wt%가 될 수 있다. 증류수와 실리카 졸은 만약 실리카 졸이 40 wt%의 고형분을 포함하고 있다면 중량비로 증류수: 실리카 = 0.5~0.8:이 될 수 있고 세라믹 도료 전체 중량에 대하여 증류수 16.0 내지 20.0 wt%와 실리카 졸 20 내지 30 wt%가 혼합될 수 있다. 증류수와 실리카 졸의 혼합을 위하여 먼저 증류수가 반응용기에 투입되어 20 내지 30℃의 온도로 유지된다. 이후 실리카 졸이 반응 용기에 투입되고 반응용기의 온도를 25 내지 45 ℃로 유지하면서 교반을 하여 제1 반응액을 제조한다(P11). 제1 반응액은 콜로이드 서스펜션의 상태가 되고 용액 전체에 걸쳐 실리카 입자가 균일하게 분산된 형태가 된다.

제2 반응액의 제조를 위하여 먼저 증류수가 준비된다. 증류수는 제1 반응액의 제조를 위하여 사용된 것과 동일하게 예를 들어 칼륨 이온, 나트륨 이온 또는 칼슘 이온을 포함하지 않은 이온교환수가 될 수 있다. 증류수가 준비되면 수산화칼륨(KOH)과 수산화알루미늄(Al₂(OH)₃)이 증류수에 첨가될 수 있다. 첨가되는 양은 중 량비로 증류수: 수산화칼륨: 수산화알루미늄 = 1: 1~1.5: 0.001~0.003이 될 수 있다. 도료 전체에 대한 중량비로 증류수는 4.0 내지 6.0 wt%, 수산화칼륨은 4.5 내지 6 wt% 그리고 수산화알루미늄은 0.08~0.10 wt%가 될 수 있다. 증류수에 수산화칼륨 및 수산화알루미늄을 첨가하면 발열 반응이 되어 온도가 상승하게 된다. 그러므로 온도를 적절하게 유지하는 한편 수산화칼륨이 완전히 용해되어 전체적으로 묽은 용액이 되도록 만든다. 구체적으로 수산화칼륨 및 수산화알루미늄의 첨가 과정에서 온도는 70 내지 100 ℃로 유지하고 용액 전체를 천천히 교반하면서 수산화칼륨과 수산화알루미늄의 완전히 용해가 되도록 첨가량을 적절히 조절한다. 이와 같은 과정을 통하여 제2 반응액이 제조될 수 있다(P12).

제1 반응액과 제2 반응액이 제조되면(P11 및 P12), 제1 반응액과 제2 반응액을 반응시켜 바인더가 제조될 수 있다(P13). 제1 반응액과 제2 반응액의 혼합은 제2 반응액을 제1 반응액에 첨가하는 방법으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 제1 반응액은 반응용기에 수용되고 그리고 제2 반응액은 개폐 가능한 밸브가 설치된 관으로 반용용기에 연결된 보조용기에 수용될 수 있다. 제2 반응액을 제1 반응액에 첨가하기 위하여 보조용기에 압력을 가하면서 밸브를 개방시킬 수 있다. 제2 반응액을 제1 반응액에 첨가하는 과정에서 발열이 될 수 있으므로 적절한 냉각 장치를 이용하여 반응 온도를 일정하게 유지할 필요가 있다. 제2 반응액은 제1 반응액에 30 내지 80초의 시간에 걸쳐서 투입될 수 있고 온도는 60 내지 75 ℃로 유지될 수 있다. 또한 첨가 과정에서 교반이 진행될 수 있다. 제2 반응액이 제1 반응액에 완전히 첨가되면 혼합액은 60 내지 75 ℃의 온도에서 50 내지 80분 동안 교반이 될 수 있다. 교반 과정에서 실리카 입자는 충분히 분산이 되어 투명한 용액 상태가 된다. 전체적으로 투명한 용액 상태가 되면 바인더의 제조가 완료된다(P13). 이후 바인더는 상온으로 냉각되어 반응용기에 보관될 수 있다.

본 발명에 따른 세라믹 도료의 바인더는 Si-O가 네트워크 구조를 가지는 것으로 판단된다. 예를 들어 본 발명에 따른 도료의 바인더는 도 2에 도시된 형태의 Si-O 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 도 2에서 M 및 M'는 각각 K⁺ 또는 Al^{3 +} 와 같은 금속 이온을 나타낸다.

바인더가 제조되면(P13) 실온에 이르도록 냉각이 이루어지고(P14) 그리고 충진재가 첨가될 수 있다(P15). 본 명세서에서 충진재는 안료 또는 위스커(whisker)와 같이 바인더를 제외한 모든 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어 충진재는 산화알루미늄(Al₂O₃), 이산화티탄(TiO₂), 탄산칼슘(CaCO₃), 산화크롬(Cr₂O₃) 또는 황연과 같은 안료를 포함할 수 있다. 충진재는 제1 용액 및 제2 용액과 함께 전체 바인더의 중량의 100 wt%가 되는 양으로 준비될 수 있다. 구체적으로 충진재는 전체 바인더 중량의 35.0 내지 45.0 wt%의 양으로 첨가될 수 있다. 충진재는 바인더와 함께 밀링 교반기로 투입될 수있다. 밀링 교반기는 충진재를 예를 들어 수십 내지 수백 나노미터를 분쇄할 수 있는 나노 밀링 교반기가 될 수 있다. 충진재가 밀링 교반기에서 바인더와 함께 투입되어 나노 크기로 분쇄되어 균일하게 바인더에 분산된다. 추가로 항균제가 세라믹 도료에 첨가될 수 있다. 항균제는 예를 들어 액체 성분의 유기 항균제 또는 제올라이트 계, 인산 칼륨계 또는 지르코늄 계 또는 은과 같은 무 기 항균제를 포함하고 충진재와 바인더 전체 중량에 대하여 0.5 내지 1.5 wt%의 양으로 첨가될 수 있다. 항균제도 충진재와 마찬가지로 밀링 교반기 내에서 나노 단위의 크기로 분쇄되어 바인더에 균일하게 분산될 수 있다. 이와 같이 바인더에 충진재 또는 항균재가 첨가되어 분산되면 본 발명에 따른 세라믹 도료가 완성된다.

본 발명에 따른 세라믹 도료는 암석, 콘크리트, 금속, 비금속 또는 목재와 같은 임의의 기판에 적용될 수 있고 상도, 중도 또는 하도 도장으로 적용될 수 있다. 다만 세라믹 도료 자체는 물의 통과를 방지하면서 수증기를 투과시키는 성질을 가지므로 상도 도장으로 적용되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 세라믹 도료는 항균제가 첨가되는 경우 건물 내벽 또는 외벽이나 실내 벽의 마감 도장으로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 세라믹 도료는 일액형 도료에 해당하므로 바인더와 경화제의 배합비에 따른 도막 물성 편차를 방지할 수 있다는 이점을 가진다. 또한 본 발명에 따른 세라믹 도료는 일반 코팅제에서 사용되는 붓 또는 압송식 스프레이와 같이 공지된 도장 수단으로 도장 작업이 이루어질 수 있다는 장점을 가진다. 아울러 본 발명에 따른 세라믹 도료는 일액형 도료로 유기 성분을 전혀 포함하지 않으므로 휘발성 유기 성분이 전혀 발생시키지 않는 환경 친화성을 가진 도료로 기존의 유기 용제 도료에 비하여 뛰어난 물성을 가진다는 이점을 가진다. 그러므로 수계 도료 또는 분체 도료를 대체할 수 있다는 장점을 가진다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으면 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 도료의 제조과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 세라믹 도료 바인더의 예시적인 구조를 도시한 것이다.

Claims (7)

1. 증류수 16.0 내지 20.0 wt%에 고형분 20 내지 45%의 실리카 졸 20 내지 30 wt%을 반응시킨 제1 반응액과 증류수 4.0 내지 6.0 wt%에 KOH 4.5 내지 6 wt%와 Al₂(OH)₃ 0.08 내지 0.10 wt%를 반응시킨 제2 반응액을 혼합하여 형성된 바인더; 및

   35.0 내지 45 wt%의 충진재를 포함하는 세라믹 도료 조성물.
2. 청구항 1에 있어서, 충진재는 산화알루미늄(Al₂O₃), 티타늄 옥사이드 또는 탄산칼륨을 포함하는 세라믹 도료 조성물.
3. 청구항 1에 있어서, 전체 도료 조성물 중량 대비 0.5 내지 1,5 wt%의 항균제를 더 포함하는 세라믹 도료 조성물.
4. 청구항 1에 있어서, 실리카 졸에서 실리카의 평균 입자의 직경은 5 내지 200 ㎚가 되는 것을 특징으로 하는 세라믹 도료 조성물.
5. 증류수와 실리카 졸을 혼합하여 제1 용액을 제조하는 단계;

   증류수에 KOH와 Al₂(OH)₃를 투입하면서 80 내지 100 ℃의 온도를 유지하면서 KOH를 완전히 용해시켜 제2 용액을 제조하는 단계;

   제2 용액을 제1 용액에 50 내지 70 ℃의 온도를 유지하면서 투입하는 단계;

   제1 용액과 제2 용액이 완전히 반응하면 상온으로 냉각시키는 단계; 및

   충진재를 첨가하는 단계를 포함하는 세라믹 도료 조성물의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서, 제2 반응액은 30 내지 80초의 시간에 걸쳐서 제2 용액에 투입되는 것을 특징으로 하는 세라믹 도료 조성물의 제조방법.
7. 청구항 5에 있어서, 충진재를 첨가하는 단계 이후에 충진재를 밀링 교반기에서 분쇄 및 교반하는 단계를 더 포함하는 세라믹 도료 조성물의 제조방법.

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