KR20120006266A

KR20120006266A - 고기능성 천연 합성 벽 마감재 조성물

Info

Publication number: KR20120006266A
Application number: KR1020100066900A
Authority: KR
Inventors: 조성휘; 김상범; 최정진; 김태엽
Original assignee: 주식회사 대방
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-01-18
Also published as: KR101224038B1

Abstract

본 발명은 상기 설명한 벽지, 특히 섬유벽지로부터 나오는 유해물질을 차단하는 기능을 가진 친환경 고기능 섬유벽지 조성물을 제공한다.

Description

친환경 고기능 섬유벽지 조성물{THE COMPOSITION FOR FIBER WALL PAPER WITHOUT HARMFUL COMPONENTS}

본 발명은 섬유벽지에 코팅하거나 배접하여 사용함으로써 벽지로부터 나오는 유해물질을 저감할 수 있는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물에 관한 것이다.

통상의 벽지 제조에서는 PVC 합성수지를 베이스 수지로서 주로 사용하고 있다. 그러나, PVC 수지를 사용하는 경우, 제조 공정에서 인체에 유해한 유기용매가 사용되며, 가소제, 안정제 등이 첨가되므로, 제조된 벽지에서 유해 화학물질이 발산되는 등, 환경 저해 요소가 야기된다. 이러한 문제는 현재 새집증후군이라는 것으로 잘 알려져 있다. 특히, 벽지는 주거용이든 비주거용이든 대부분의 건축물에 필수적으로, 그리고 건축물의 거의 전 면적에 걸쳐 사용되고 있기 때문에, 그것의 환경 위해적인 영향은 대단히 크다고 할 수 있다.

현재, 벽지의 유해성을 차단하기 위한 일환으로서, PVC 합성수지를 PE나 PP 등으로 대체한 합성피혁 벽지 등을 제조(한국 특허등록공보 10-0675833)하거나 하고 있지만, 벽지 제조 공정상 필연적으로 인체에 유해한 화학물질을 사용할 수밖에 없어서 벽지 자체나 벽지 인쇄 잉크 자체로부터 나오는 유기용매나 기타 화학 첨가제의 유해물질을 근본적으로 제거할 수 있지는 않다.

본 발명은 상기 설명한 벽지, 특히 섬유벽지로부터 나오는 유해물질을 차단하는 기능을 가진 친환경 고기능 섬유벽지 조성물을 제공하는 것을 목표로 한다.

벽지, 특히 섬유벽지로부터 나오는 유해물질을 저감하기 위하여, 본 발명은 피톤치드 분말 30-35 중량부, 식물성 솔잎 액상 추출물 10-15 중량부, 천연 제올라이트 분말 12-17 중량부, 항균제 5-10 중량부, 음이온 발생 토르말린 무기물 5-10 중량부, 규산나트륨 3 중량부, 및 규산칼륨 3 중량부를 포함하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물을 제공한다.

다른 양태로서, 피톤치드 분말은 평균 입경이 약 1000 메쉬이다.

다른 양태로서, 제올라이트 분말은 모데나이트에 나트륨 양이온을 치환시킨 활성 모데나이트를 평균 입경 1000 메쉬로 분말화한 것을 사용한다.

다른 양태로서, 피톤치드 추출물은 편백나무로부터 추출한 것을 사용한다.

다른 양태로서, 상기 조성물은 점성조절제, 소포제 및/또는 발포제를 더 함유할 수 있다.

다른 양태로서, 점성조절제, 소포제 및 발포제의 함량은 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 각각 2-10 중량부, 1-3 중량부 및 1-3 중량부이다.

다른 양태로서, 상기 조성물을 섬유벽지 원단에 코팅 또는 배접하고, 건조하여 제조한 섬유벽지 제품이 제공된다.

본 발명의 조성물을 이용하여 제조된 섬유벽지는 친환경 기능성 소재를 사용하고 있기 때문에, 건축물의 실내에 시공되었을 때 건축물의 시멘트 등에서 발생하는 유독물질과 휘발성 유기화합물을 흡착제거하는 우수한 항균 및 탈취성을 나타내고, 인체에 유익한 피톤치드를 다량으로 방출할 수 있으므로 실내 공기질을 개선할 수 있다.

섬유벽지로부터 나오는 유해물질을 저감하기 위해, 피톤치드 분말 30-35 중량부, 식물성 솔잎 액상 추출물 10-15 중량부, 천연 제올라이트 12-17 중량부, 항균제 5-10 중량부, 음이온 발생 토르말린 무기물 5-10 중량부, 규산나트륨 3 중량부, 및 규산칼륨 3 중량부를 포함하는 본 발명의 조성물을 직물 원단에 배접하거나 코팅한다. 본 발명의 조성물의 사용량은 직물 원단 약 80 중량부 대 본 발명의 조성물 약 20중량부의 비율로 사용하며, 원단의 표면에 코팅하거나 배접한다.

상기 조성물의 성분들에 대하여, 제올라이트 성분은 흡착, 탈취 기능을 가진다. 항균제는 일반적으로 나트륨 실리케이트를 사용하며, 대장균 등의 일반 세균을 제거할 수 있는 항균 기능을 가진다. 피톤치드와 솔잎은 인체에 유익한 물질과 자연 향을 발생시키는 친환경 자연 소재 성분이다. 토르말린은 인체에 유익한 음이온과 원적외선을 발생시키는 무기광물이다. 규산나트륨과 규산칼륨은 조성물 중에서 바인더로서 작용하여 각 성분들이 잘 혼합되어 어우러지게 하는 역할을 한다. 이러한 다양한 기능을 가진 성분들의 조합인 본 발명의 조성물을 직물 원단 섬유벽지에 코팅 또는 배접하여 사용함으로써 친환경 고기능 섬유벽지를 제조할 수 있다.

본 발명의 조성물에서, 상기 제시된 각 성분들의 함유량이 하한보다 낮으면 각 성분에 대한 기대 효과를 달성할 수 없고, 상한보다 높으면 기대 효과의 임계치를 달성할 수 있는 양을 넘어 버림으로써 효과적이지 않으며, 오히려 조성물의 물성에 악영향을 미칠 수 있다.

상기 성분들을 순차적으로 혼합하고, 65-68℃에서 가열한 후, 호모게나이저 를 이용하여 60분 이상 교반한다. 가열 및 교반 후 조성물을 24-30시간 정도 숙성시킨다.

본 발명의 섬유벽지용 조성물은 환경 친화적인 벽지 마감재를 개발하기 위한 노력의 일환으로 달성되었다. 본 발명의 조성물은 친환경 자연 소재, 즉 천연 무기광물인 토르말린과 천연 무기 항균제를 사용하는 한편, 기능성 물질로서 역시 천연 소재의 제올라이트, 피톤치드 분말, 액상 솔잎 추출물을 사용하여, 친환경 복합 고기능성 섬유벽지 마감재 조성물을 개발하였다. 이 조성물을 섬유벽지에 배접하거나 코팅하면 섬유벽지에서 방출되는 유해물질은 저감되고, 동시에 인체에 유익한 물질로서 피톤치드, 음이온, 원적외선 및 자연 향이 발산된다. 따라서, 본 발명의 조성물을 사용하여 완성된 최종적인 섬유벽지 제품을 실내에 도배하였을 경우, 쾌적한 실내 환경을 달성할 수 있다.

본 발명의 친환경 고기능 섬유벽지 조성물의 개발에 있어서, 조성물에 포함되는 성분들, 즉 피톤치드 분말, 식물성 액상 솔잎 추출물, 제올라이트, 토르말린, 항균제 분말, 규산나트륨 및 규산칼륨을 순차적으로 혼합한다. 이 성분들을 액상화하여 분산시키면 기존 공정에 간단히 투입할 수 있다. 액상화한 분산액을 기존 코팅 설비에 그대로 적용하고, 비표면적을 극대화시켜 친환경 기능성을 극대화시키고, 기존 공정에 사용되는 첨가제와의 상호 분산 호환성으로 인하여 물성이 유지될 수 있다.

한 구체예에서, 상기 친환경 고기능 섬유벽지 조성물의 한 제조예로서, 섬유 원단을 100 중량부로 했을 때, 혼합 첨가제는 약 55-60 중량부를 사용한다. 상기 원료 혼합물에 산화촉진제를 첨가하고, 이어서 은계 무기 항균제를 혼합하고 교반하여 12시간 저온에서 숙성시킨다. 다음에, 산화방지제 1-3 중량부를 혼합 및 함침시켜 3-4시간 반응시킨 후 숙성시킨다. 다음에, 혼합 조성물을 600-650rpm으로 균일하게 교반한다. 다음에, 혼합된 조성물을 25-27℃에서 10시간 이상 저온 숙성시킨다.

상기 조성물 중에서, 제올라이트는 입경 1000 메쉬의 분말을 사용하며, 포름알데히드, 휘발성 유기화합물 등의 흡착 효과가 뛰어나다. 토르말린 광물은 입경 1-80㎛의 분말을 사용하며, 열이나 압력을 가하면 인체에 유익한 전류를 발생시키고, 1cc 당 약 1000개의 음이온을 발생시킨다. 나트륨 실리케이트계 무기 항균제는 유해 세균에 대한 항균 효과가 뛰어나다.

이와 같이 제조된 친환경 고기능 섬유벽지 조성물의 특징으로서, 상기 조성물을 직물 원단에 코팅하면 코팅 접착력과 직물의 내구성이 우수하게 된다. 또한, 항균, 탈취, 음이온 발생, 휘발성 유기화합물 제거 등의 기능성 우수하다.

본 발명의 조성물을 직물 원단에 코팅한 섬유벽지의 성능을 시험한 결과, 탈취시험에서는 암모니아의 제거율이 95.2%였고, 항균시험에서는 대장균에 대한 세균 감소율이 98.7%였으며, 음이온 시험에서는 880(ION/cc)의 음이온을 발생시켰고, 휘발성 유기화합물, 포름 알데히드 등은 검출되지 않았다.

이와 같은 본 발명의 친환경 고기능 섬유벽지 조성물은 10수 내지 20수의 직물 원단에 적용하는 것이 바람직하며, 주로 실내 건축용 내장재, 벽지, 벽 마감재, 커튼 등에 적용될 수 있다.

다른 구체예에서, 본 발명의 조성물을 이용한 섬유벽지의 제조예로서, 조성물을 직물 원단에 함침 및 배접 처리함에 의한 기능성 원단의 생산 공정은 먼저 원단을 입고하는 단계, 연폭하는 단계, 원료를 혼합하는 단계, 함침 및 배접 또는 코팅하는 단계, 및 권취하는 단계로 이루어진다. 원료의 혼합 단계에서는 제품 특성에 맞춰 기타 첨가제, 약제 등을 배합할 수 있다. 배접 또는 코팅하는 단계에서는 나이프 스타일의 건식 코팅을 1차, 2차 또는 3차 코팅까지 사용할 수 있다. 이로써 환경친화적 섬유벽지가 제조된다.

다른 구체예로서, 본 발명의 친환경 고기능 섬유벽지 조성물을 달성하기 위하여, 피톤치드 분말 30-35 중량부, 식물성 솔잎 액상 추출물 10-15 중량부, 천연 제올라이트 12-17 중량부, 항균제 5-10 중량부, 음이온 발생 토르말린 무기물 5-10 중량부, 규산나트륨 3 중량부, 및 규산칼륨 3 중량부를 순차적으로 혼합, 교반, 가열하고, 24시간 이상 숙성시킨다. 다음에, 상기 혼합물의 온도를 30℃로 유지하면서 상기 혼합물에 전분 2 중량부 및 총 함량을 100 중량부로 하기 위한 나머지 양의 물을 혼합하고 교반한다. 다음에, 상기 혼합물의 온도를 30℃로 유지하면서 24시간 동안 더 숙성시킨다. 이로써 본 발명의 친환경 고기능 섬유벽지 조성물이 완성된다.

또 다른 구체예에서, 본 발명의 조성물을 섬유 원단에 배접 또는 코팅한 후, 조성물이 배접 또는 코팅된 원단을 실온에서 24-30시간 이상 숙성시킬 수도 있다.

이와 같이 본 발명은, 벽지 코팅 조성물이 친환경 성분들로 이루어져 있어서 유해물질을 유발하는 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔과 같은 휘발성 유기화합물을 방출하지 않을 뿐만 아니라, 실내 건축물에 시공되었을 때 건축물의 시멘트, 벽재 등에서 발생하는 유독물질과 휘발성 유기화합물을 흡착 및 제거하는 항균. 탈취성이 우수하며, 벽지로부터 피톤치드가 지속적으로 발생됨으로써 실내 공기질의 개선을 기대할 수 있는 친환경 섬유벽지 조성물을 제공할 수 있다.

다른 구체예에서, 본 발명은 식물성 피톤치트 분말 35 중량부, 식물성 솔잎 입자 15 중량부, 항균제 5 중량부, 규산나트륨 3 중량부, 및 규산칼륨 3 중량부를 혼합한 조성물을 압착하고, 상기 압착물을 실온에서 24-30시간 숙성시킴으로써 본 발명의 조성물을 제공할 수 있다. 상기한 바와 같이 물을 사용하지 않고 혼합 공정에서 조성물로 압착하여 얻은 압착물을 실온에서 24-30시간 동안 숙성하여 얻은 조성물을 직물 원단에 배접 또는 코팅한다. 이로써 직물 원단의 골격은 그대로 유지되고 휘발성 유기화합물, 냄새 성분, 기타 공기 중의 유해물질 등이 용이하게 흡착 제거될 수 있다. 상기 조성물에는 탈취용 원료인 제올라이트 입자가 더 포함된다. 제올라이트는 미세한 입자가 바람직하다. 특히, 평균 입경이 1000 메쉬인 활성 모데나이트를 적용하는 것이 바람직하다. 합성 제올라이트는 인체에 유해한 물질인 포름알데히드를 방출할 수 있지만, 천연 활성 모데나이트 입자는 포름알데히드를 거의 방출하지 않는다. 활성 모데나이트 함량은 조성물 총 중량에 대하여 15 중량부를 포함한다.

본 발명의 조성물에서 규산나트륨 및 규산칼슘은 접착성 성분으로서 원단의 균열 및 갈라짐을 방지하는 유기 바인더로서 작용한다.

또 다른 구체예에서, 본 발명에 따른 친환경 고기능 섬유벽지 조성물은 다음과 같은 단계를 통하여 제조된다.

먼저, 조성물의 총 중량을 100 중량부로 했을 때, 피톤치드 분말 30 중량부와 액상 솔잎 추출물 15 중량부의 혼합물에 제올라이트 입자 15 중량부를 30-35℃의 온도에서 혼합하고 교반하면서 숙성시킨다. 제올라이트 입자는 평균 입경 1000 메쉬인 것이 바람직하며, 수분산물 형태로 사용하는 것이 공정의 용이성을 위해 바람직하다.

상기 혼합물을 교반하면서 24-30시간 이상 숙성시킨 후 침전물을 제거한다. 다음에, 상기 수분산물을 나노 분쇄기에 의하여 3000-3500rpm의 고속으로 50-60분간 미세하게 분쇄하고 방치하여 슬러리와 상등액으로 구분한다. 다음에, 상기 슬러리와 상등액을 여과하여 수분산물을 회수한다.

회수된 수분산물을 혼합 및 교반하면서 24시간 이상 숙성시킨다. 상기 혼합물의 온도를 31-35℃, 바람직하게는 31-32℃로 유지하면서 접착성 첨가제인 규산나트륨과 규산칼륨을 각각 3 중량부 혼합하고 단시간 교반시킨다. 이어서, 상기 혼합물의 온도를 31-35℃, 바람직하게는 31-32℃로 유지하면서 24시간 이상 숙성시키면 본 발명의 친환경 고기능 섬유벽지 조성물을 얻을 수 있다.

제올라이트를 혼합하는 단계와 상기 접착성 첨가제를 혼합하는 단계 사이에 항균제 10 중량부를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 항균제는 나트륨 실리케이트 항균제인 것이 바람직하다. 상기와 같이 본 발명의 조성물을 제조하는 경우, 제올라이트 입자, 항균제, 규산나트륨, 규산칼륨의 투입 순서를 지키는 것이 성분들의 침전을 방지하여 균일한 조성물을 얻는 측면에서 바람직하다. 만일 이들 성분들을 동시에 투입하는 경우에는 침전이 발생하기 쉽다.

상기 본 발명의 친환경 고기능 섬유벽지 조성물은 필요에 따라 분산제, 윤활제, 발포제 및/또는 소포제 등의 통상의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 성분의 사용량은 조성물의 총 중량에 대해 분산제 1 내지 2 중량부, 발포제 1 내지 3 중량부, 소포제 1 내지 3 중량부일 수 있다.

분산제는 윤활성과 흐름성을 조절하는 역할을 하며, 아크릴산 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 만일 분산제를 과량 사용하면 분산속도가 빨라져 피도물인 직포나 직물 원단에 도포하는 경우 침투가 너무 많아져 제품 품질 저하의 원인이 되고, 분산제를 너무 소량 사용하면 분산 능력이 떨어져서 균일한 조성물의 제조가 어려워진다.

발포제는 아조계 화합물, 니트로소계 화합물 및 술포닐히드라지드계 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 특히, 아조디카본아미드, N,N'-디니트로소펜타메틸렌테트라민, p-톨루엔술포닐히드라지드, p,p'-옥시비스(벤젠술포닐히드라지드), p-톨루엔술포닐 세미카바지드, 아조비스이소부티로니트릴 및 디아조아미노아조벤젠으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다. 발포제를 너무 적게 사용하면 경도와 비중이 매우 높아지고, 너무 과량 사용하면 과도한 발포에 의해 안정한 셀 구조의 발포를 얻을 수 없어서 제품의 기계적 물성이 급격히 저하되는 단점이 있다.

소포제는 섬유벽지 조성물 중에 발생한 기포를 제거하는 역할을 하며, 옥틸 알코올, 시클로헥산올, 기타 고급 알코올, 에틸렌글리콜, 소르비탄 지방산 에스테르를 주성분으로 하는 비이온성 계면활성제나, 다른 비이온성 계면활성제 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유벽지 조성물은 다음과 같은 단계를 통해 섬유벽지에 적용된다.

먼저, 상기한 설명된 대로, 피톤치드 분말, 액상 솔잎 추출물, 제올라이트, 토르말린, 항균제, 전분 등을 포함하는 섬유벽지 조성물을 준비한다. 섬유벽지 원단에 조성물을 적용하는 방법으로는 당업계에서 통상 사용하는 배접 방법, 예를 들면 그라비어 코팅, 콤마 코팅, 롤 코팅, 바 코팅 등의 방법을 사용할 수 있다. 코팅되는 섬유벽지의 재질, 요구 조건 또는 면적 등에 따라 선택적으로 사용할 수 있고, 그 두께를 조절할 수 있다.

섬유벽지 원단에 조성물을 코팅한 후 건조한다. 건조 온도는 특별히 제한되지 않지만 생산성 등의 측면을 감안하여 통상적으로 열처리 챔버를 이용하여 170-190℃의 온도에서 실시한다. 다음에, 섬유벽지 원단에 원하는 도안을 엠보싱하거나 인쇄한 후, 완성된 벽지를 권취한다. 인쇄는 건조 단계 전에 이루어질 수도 있다.

또 다른 구체예에서, 각 성분들을 혼합하고 균일하게 교반하면서 단시간 동안 숙성시킨다. 혼합물을 미세하게 분쇄하고 압착하여 얻은 압착물을 약 60℃에서 24시간 이상 숙성시킨다. 다음에, 혼합물을 여과하여 침전물을 제거하여 섬유벽지 조성물을 제공한다.

또 다른 구체예에서, 숙성 온도는 31-32℃이다. 상기 혼합물을 교반하면서 약 24시간 이상 숙성시킨다. 이어서, 상기 혼합물에 첨가제를 혼합하고 교반한다. 상기 혼합물의 온도를 약 31℃로 유지하면서 단시간 교반하여 최종 조성물을 제공한다.

또 다른 구체예에서, 섬유벽지 원단에 조성물을 코팅 또는 배접 방식으로 적용하고, 열처리 후 권취하여 최종 벽지 제품을 제공한다. 상기와 같이 얻어진 섬유벽지 조성물을 약 31-32℃의 온도로 유지하면서 약 24시간 이상 숙성시켜 섬유벽지 조성물을 얻는다. 얻어진 조성물을 섬유벽지 원단에 두께 1.15-2.0mm로 적용하고 열처리한 후, 그라비아 인쇄기로 원하는 문양을 인쇄한다. 얻어진 결과물을 약 160-170℃의 건조 챔버를 통과시켜서 건조한 후, 최종 섬유벽지 제품을 권취한다.

이와 같이, 본 발명은 섬유벽지 원단에 적용할 수 있는 천연소재의 탈취, 항균 및 피톤치드 발생 조성물에 관한 것으로서, 섬유벽지 원단에 코팅 및 함침하여 섬유벽지를 제조하였을 경우, 친환경적 기능을 부여할 수 있으며, 다량의 피톤치드 물질을 발생시킬 수 있는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물을 제공할 수 있다.

무기 항균제: 나트륨 실리케이트 , 메타실리케이트

<성질>

분자식: Na₂SiO₃

분자량: 122.06 g/mol(무수물) 212.14 g/mol(5수화물)

외형: 무색 고체

밀도: 2.4 g/cm

용융점: 1088℃(무수물) 72.2℃(5수화물)

용해성: 수용성

나트륨 실리케이트는 물유리, 액체 유리로 잘 알려져 있는 나트륨 메타실리케이트(Na₂SiO₃) 화합물에 대한 일반적인 이름이다. 그것은 수용액상과 고체상으로 이용될 수 있고, 시멘트, 능동적인 화재 보호, 내화물, 섬유 원단 및 목재 가공과 건축 내장재에 이용될 수 있다. 탄산나트륨(Na₂CO₃)과 이산화규소(SiO₂)가 용융 반응하여 나트륨 실리케이트와 이산화탄소가 생성된다.

Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂ (1)

무수 나트륨 실리케이트는 분리된 (SiO₃)^2-가 아닌 (SiO₄) 4면체로 공유된 코너로 구성된 사슬 모양의 음이온을 포함한다.

무수물과 더불어 분리된 4면체 음이온의 SiO₂(OH)₂ ^2-의 Na₂SiO₃·nH₂O(n = 5, 6, 8, 9)의 분자식을 가지는 많은 수화물이 존재한다. 상업적으로 이용 가능한 나트륨 실리케이트 5수화물(Na₂SiO₃·5H₂O)는 Na₂SiO₂(OH)₂·4H₂O 형태, 9수화물(Na₂SiO₃·9H₂O)은 Na₂SiO₂(OH)₂·8H₂O 형태를 띤다.

첨가제: 규산나트륨

액상 규산나트륨( 규산소다 )

규산나트륨(규산소다)은 수용성 규산염 중 가장 널리 사용되고 있는 무기 화합물이다. 일반적으로 Na₂O-nSiO₂-xH₂O의 분자식으로 표현되며, 물에 대한 용해성이 있기 때문에 물유리(water glass)라고도 한다. SiO₂/Na₂O의 몰비와 농도에 따라 다양한 성질을 나타내며 다양한 용도로 사용된다. 액상 규산나트륨의 몰비 계산은 다음과 같다.

규산나트륨의 몰비 = SiO₂/Na₂O의 중량비 x 1.032

일반적으로 규산나트륨은 액상, 고형, 결정체, 비정질 분말로서 상용되고 있다. 하기 그림은 Na₂O-SiO₂-H₂O에 대한 규산나트륨의 상태도이다.

<구조>

규산나트륨 용액에는 규산이온 모노머, 폴리규산 이온 및 콜로이드상의 규산이온 미셀이 다양한 형태로 함께 존재한다. 그 형태는 SiO₂/Na₂O 몰비와 농도에 따라 다른 것으로 알려져 있다. 하기 그림은 광산란법에 의해 측정된 액상 규산나트륨의 몰비와 분자량의 관계를 나타낸 것이다.

<용융점>

규산나트륨의 원료인 규사(SiO₂)의 융점은 1,710℃이고 탄산나트륨(Na₂CO₃)의 융점은 849℃이지만, 고형 규산나트륨의 융점은 확실하게 나타나지 않다. 대체로 550-670℃에서 녹기 시작하여 730-870℃에서 유동이 시작되고, 1,300℃ 이상 되면 완전히 융해된다.

<비중>

액상 규산나트륨의 비중은 일반적으로 보오메도(Be')로 나타낸다. 보오메도와 비중과의 관계는 다음과 같다.

Be' = 144.3(d-1)/d 또는 144.3/144.3-Be'

여기서 Be'는 보오메도이고 d는 비중을 나타낸다. 온도가 1℃ 상승하면 보오메도는 0.04 내려간다. 온도 변화에 따른 보오메도의 환산식은 다음과 같다.

Be'(to) = Be'(t1) - (20 - t1) × 0.04

여기서 Be'(t1)은 온도 t1에서의 보오메도이고, Be'(to)는 20℃에서의 보오메도를 나타낸다. 하기 그림은 액상 규산나트륨의 보오메도와 몰비의 관계를 나타낸 것이다.

<점도>

액상 규산나트륨의 점도는 SiO₂/Na₂O의 몰비에 따라 다르다. 동일한 몰비에서는 농도와 온도에 따라 변한다. 같은 몰비에서 농도가 상승하면 점도가 상승하고, 같은 몰비와 농도에서 온도가 상승하면 점도는 급격히 낮아진다. 역으로 온도가 20℃ 이하로 내려가면 점도는 급격히 상승한다.

<어는점>

한국산업표준 KSM 1415의 액상 규산나트륨 3종은 약 -2.5℃에서 결빙하지만, 몰비가 낮고 농도가 높은 1종의 경우는 -10℃에서도 얼지 않는다. 그 중간 몰비를 갖고 보오메도가 50 정도인 액상 규산소다는 마이너스 5-8℃에서 결빙된다. 몰비가 1.8 이하인 제품은 역으로 결빙이 아닌 결정이 생기기 쉬운 조건이 된다. 몰비가 0.5인 올소 규산나트륨(sodium orthosilicates)의 경우는 상온에서도 수화 결정이 생긴다.

<pH>

액상 규산나트륨의 pH는 알칼리 영역에 있고, 일반적으로 몰비와 농도에 따라 다르다.

<산과의 반응>

액상 규산나트륨에 산을 첨가하면 중화반응에 의해 pH가 낮아지고, 규산 이온 또는 폴리규산 이온끼리의 중합(실록산 결합)이 진행되어 점도가 상승한다. 더욱 진행하면 겔이 된다.

Na₂O·nSiO₂ + H₂SO₄ + (m-1)H₂O → nSiO₂·mH₂O + Na₂SO₄

점도의 상승 및 겔화 속도는 산의 종류, 산의 첨가량, 용액의 농도, 온도 등에 따라 다르다.

<금속 이온과의 반응>

액상 규산나트륨은 Ca, Mg, Al, Ba 등의 금속 이온과 반응하여 불용성의 규산염 금속수화물 및 규산염 금속수산화물, 규산 등을 동시에 생성하여 겔화된다.

Na₂O·nSiO₂ + Ca(OH)₂ + mH₂O → CaO·nSiO₂·mH₂O + 2NaOH

이와 같은 반응으로 생성되는 규산화합물은 금속 이온과 규산 이온의 존재량에 의존한다.

<유기 화합물과의 반응>

글리옥살이나 에칠렌글리콜디아세테이트 등의 다가 알코올과 초산에스테르는 모두 알칼리 존재 하에서 글리콜산이나 초산을 생성하고 중화작용에 의해 규산나트륨을 겔화시킨다. 메틸알코올, 에틸알코올, 아세톤 등의 유기용매를 가해도 겔화되지만, 이들은 단순히 탈수에 의한 것으로 물을 가하면 다시 용해된다.

<탈수에 의한 경화>

알코올에 의해서도 규산나트륨은 겔화된다. 이것은 결합수로서의 규산나트륨 중의 H₂O가 탈수되면서 SiO₂ 사면체의 중합이 일어나는 것이고, 그 결과 견고한 필름이 형성된다. 100%의 탈수는 1,000℃ 이상이 아니면 불가능하고, 과정을 보면 120-500℃에서 다공질화를 거쳐 600-1,000℃에서 유리화된다. 200℃에서 95% 정도 탈수가 되고, 그 이상의 탈수는 아주 서서히 진행된다. 탈수가 되더라도 물에 대한 용해성은 변하지 않는다.

액상 규산나트륨의 주요 용도

<접착제와 시멘트>

액상 규산나트륨은 지관, 합지 및 기타 여러 가지 재료의 접착제로 사용되고 있다. 액상 규산나트륨은 초기 작업성 및 접착성, 접착강도가 우수한 경제적인 접착제이다. 액상 규산나트륨의 장점은 피착재 표면을 쉽게 적시며, 침투성과 점도를 조정하면 훌륭한 접착과 강도를 얻을 수 있다는 점이다. 액상 규산나트륨은 적은 양의 물의 손실만으로도 그 상태가 액체에서 반고체 상태까지 변할 수 있기 때문에 접착제로서 특별한 가치가 있다. 이 성질 때문에 접착이 빨리 일어나, 초기 접착이 필요한 종이 제품용 고속자동접착기계 작업에 적합하다.

또한, 액상 규산나트륨의 몰비를 변화시켜 시멘트 혼합에 사용함으로써 다양한 종류의 시멘트를 만들 수 있다. 이러한 시멘트는 내산성 구조물, 내화물의 제작, 보온재용 바인더 등의 용도로 사용된다. 또한, 유리와 도자기에 금속을 붙일 때도 사용된다. 시멘트 혼합에 액상규산나트륨를 사용하면 시멘트에 내산성, 내열성, 내수성을 부여한다는 장점이 있다. 또, 액상 규산소다와 혼합된 시멘트는 작업이 쉽고 경제적이며 어떤 표면에도 잘 부착된다.

<펄프와 종이>

종이 및 제지 산업에서 액상 규산나트륨은 탈묵제(de-inking), 사이징제, 코팅제, 표백제로 사용되고 있다. 액상 규산소다는 과산화수소와 함께 섬유소 표백에 오래전부터 사용되어 왔다. 중금속 이온, 효소, 기타 처리상의 불순물을 적절히 안정화시켜주면, 과산화수소는 훌륭하고 경제적인 표백제가 되며, 처리액이 알칼리의 pH 영역에서 정확히 완충될 때 최적의 효과가 발휘된다. 이때, 규산나트륨은 효과적이고 경제적인 안정제이며 완충제로 사용된다.

<합성세제와 섬유>

많은 합성세제에 액상이나 건조된 과립형태로 규산나트륨이 사용된다. 적용 범위는 금속세정, 섬유산업, 세탁소, 종이의 탈묵으로부터 그릇, 낙농설비, 병, 바닥, 기관용 세정제까지 다양하다. 합성세제 사용은 매우 빠르게 증가해 왔다. 사용 초기에는 세제 단독으로 사용하다가, 그 후 인산염과 다른 빌더를 함께 사용함으로써 세제의 성능이 높아졌다. 그러나 이들 세제가 가정용으로 사용되었을 때는 심각한 부작용이 발견되었다. 즉, 세제 성분이 알루미늄, 아연, 기타 세탁기에 사용된 금속합금을 부식시키고, 또한 자기류의 에나멜과 유약을 손상시켰다. 규산나트륨의 사용은 이러한 문제를 해결하였다. 많은 새로운 합성세제가 계속 소개되고 있지만, 규산나트륨은 여전히 그 역할을 하고 있다.

<겔, 촉매>

실리카겔은 액상 규산나트륨을 산으로 처리하여 만들어진다. 그때 생성된 규산 침전물을 세척하여 수용성 염을 제거하고 건조시킨다. 실리카겔의 제조에는 일반적으로 몰비가 높은 규산염이 사용된다. 최종 제품은 유리질의 입자로서 내부에 수많은 기공을 갖고 있어 습기뿐만 아니라 기타 물질을 흡착할 수 있는 능력이 있다. 이 성질 때문에 실리카겔은 탈습제와 쥬스 및 맥주를 정제하는 용도로 사용되고 있다. 특별히 만들어진 실리카겔은 보온재를 만드는 데 사용되기도 한다.

실리카겔과 관계있는 것으로 무정질 실리카 분말이 있다. 무정질 실리카 분말은 고무 제품에 첨가되어 내마모성을 높인다. 그 외 용도로는 잉크, 플라스틱, 광택제의 증량제, 도료의 분산제, 살포용 분말, 살충제의 뭉침 방지용 첨가제 등으로 사용되고 있다.

액상 규산나트륨은 많은 수용성 염의 수용액과 반응해서 복잡한 겔상 침전물을 만든다. 예를 들면, 알루미늄염은 액상 규산나트륨과 반응해서 나트륨-알미늄 규산염 겔을 형성한다. 이것을 이용하여 경수연화(硬水軟化)에 적합한 물질을 만들 수 있다.

또한, 실리카겔에 다른 물질을 합성하여 촉매물질이 만들어지고 있다. 이들 중 가장 널리 사용되는 것은 실리카-알루미나형 촉매이다. 정밀하게 합성되어 건조된 실리카-알루미나 촉매는 고옥탄 가솔린 제조 등과 같은 석유화학산업에서 다양한 역할을 하고 있다. 기타 여러 가지 성분과 합성 또는 침전에 의해 만들어진 실리카겔이 유기화합물의 산화, 석유탄화수소의 열분해, 이산화황의 삼산화황으로의 산화 등에 사용되고 있다.

실리카겔 촉매와 유사한 것이 분자체(molecular sieve)이다. 이들은 규산나트륨과 나트륨-알루미늄염과 같은 여러 가지 염을 반응시켜 만든다. 분자체는 결정구조를 갖고 있고 내부 기공 크기를 조절할 수 있다. 분자체는 다른 크기를 가진 분자들의 혼합물을 분리 또는 거르는 역할을 할 수 있는 뛰어난 성질을 갖고 있다.

첨가제: 규산칼륨

액상 규산칼륨

규산칼륨(규산카리)은 수용성 규산염 중 규산나트륨과 함께 가장 널리 사용되고 있는 무기 화합물이다. SiO₂/K₂O의 몰비와 농도에 따라 물성이 변하는 화합물로 다양한 분야에서 사용되고 있다. 액상 규산칼륨의 몰비 계산은 다음과 같다.

규산칼륨의 몰비 = SiO₂/K₂O의 중량비 x 1.568

규산칼륨의 다양한 특성 때문에 용접봉(welding rod), 펄프 지료, 비누와 세제, 도료 등의 분야에서 사용된다. 규산칼륨은 주로 수용액 상태이다. 여러 적용분야에서 규산칼륨은 규산나트륨(규산소다)보다 더욱 좋은 성능을 나타낸다. 예를 들면, 용접봉의 플럭스 코팅에서 규산칼륨은 부드러운 호(arc)를 만들고 조용히 탄다. 높은 용해성과 다른 성분들과의 상용성 때문에 규산칼륨은 액상 탈취에 적합하다.

또한, 규산칼륨은 백화현상(effloresce)이 없어서 도료, 코팅제, 바인더에의 사용에도 이상적이다. 실리카 대 칼륨 옥사이드의 비율 또는 알칼리도, 고형분에 따라 규산칼륨의 점도는 변한다. 즉, 알칼리도와 고형분이 모두 감소할 경우 점도는 감소한다. 또, 점도는 용액 중 물 함량과 용액 온도에 따라 변한다. 용액 중의 물 함량의 비교적 작은 변화에도 점도는 큰 영향을 받는다.

규산칼륨은 습윤성과 세정성을 향상시킨다. 규산칼륨을 사용하면 저장안정성이 우수한 액상 탈취제를 만들 수 있다. 규산칼륨은 액상과 반고형 비누의 경우 거품이 잘 일게 하며 오물을 효과적으로 분산시키고 재오염을 방지한다. 규산칼륨은 규산나트륨보다 더 높은 용해성과 혼화성(miscibility)을 제공한다.

또한, 규산칼륨은 나트륨 이온이 없어야 하는 경우의 특별한 촉매 제조에서 사용될 수 있다. 규산칼륨의 높은 내화성으로 직물 벽지, 벽재, 종이 등에 사용된다. 실리카 가루와 점토와의 혼화에 사용될 수 있다.

제조된 섬유벽지의 시험

섬유벽지 성분의 시험

1. XRD 분석

천연 모데나이트 광석, 원석을 분쇄한 모데나이트 분말, 분말을 액상 분산시킨 모데나이트의 물성을 XRD 시험분석한 결과 전형적인 천연 모네나이트로 확인되었으며 천연 모데나이트 분말과 액상(분산)화한 천연 모데나이트의 기본 물성이 같음을 확인하였다.

2. SEM-EDX 분석

천연 모데나이트 광석과 액상 분산시킨 모데나이트를 전자현미경으로 관찰한 결과 전자선에 대해서 안정하고 미세한 골격구조가 확인되었으며 액상(분산)화된 모데나이트의 경우 입자들이 천연 모데니아트 원석보다 고르게 분포되어 있는 것을 확인하였다. 또, 천연 모데나이트 분말의 경우 규소가 48.459, 철이 15.859, 칼슘이 13.295, 알루미늄이 10.093, 칼륨이 6.938%이고, 천연 모데나이트 액상(분산)은 규소가 48.678, 철이 17.255, 칼슘이 13.043, 알루미늄이 13.043, 칼륨이 7.873%로써 모데나이트의 주성분인 규소, 칼슘, 알루미늄, 칼륨 등이 분석되었고, 주 원소 이외에 스트론튬, 티타늄, 지르코늄, 루비듐 등 다양한 미량 원소가 있는 결과를 얻었으며, 이것으로 보아 합성 모데나이트가 아닌 천연 모데나이트임을 확인할 수 있었다.

섬유벽지의 기본 물성 시험

천연 모데나이트를 비롯한 각종 기능성 성분들을 함유한 조성물을 적용한 섬유벽지 시제품을 제작하여 벽지의 기본 물성 평가를 실시하였다.

1. 일광 견뢰도 시험

제작된 벽지 시제품에 대한 일광 견뢰도 시험 결과 4-5급으로서 색의 변화가 변퇴색용 표준 회색 색표 4호, 5호 정도의 결과를 얻었고, KS 기준인 4급 이상 판정 기준에 적합하였다.

2. 마찰 견뢰도 시험

제작된 벽지 시제품에 대한 마찰 견뢰도를 시험한 결과 건, 습에서 각각 가로, 세로에서 4-5급으로서 KSM 7305 기준인 4급 이상으로서 KS 기준인 4급 이상의 판정 기준에 적합하였다.

3. 은폐성 시험

제작된 벽지 시제품에 대하여 은폐성을 시험한 결과 투과하여 보이는 정도가 나타나지 않아 4급으로서 KSM 7305 기준인 3급 이상의 판정 기준에 적합하였다.

4. 습윤강도 시험

제작된 벽지 시제품에 대해 습윤 강도를 시험한 결과 가로 11.2N/1.5cm, 세로 17.2N/1.5cm로서 1.96 이상으로 KSM 7305 기준인 1.96N/1.5cm 이상의 기준에 적합하였다.

5. SEM-EDX 분석

제작된 벽지 시제품에 대해 EXD 분석 결과 무게비를 살펴볼 때 벽지의 주성분을 이루고 있는 탄소가 39.06, 산소가 30.67로서 가장 많은 비율을 차지하고 천연 모데나이트의 주성분인 알루미늄이 7.56, 규소가 9.36, 칼륨이 3.65, 티타늄이 5.76% 성분을 구성하고 있음을 확인하였다. 또한, 전자현미경 분석을 통해서 천연 모데나이트가 벽지에 고르게 코팅되어 있는 골격 구조를 확인할 수 있었다.

섬유벽지의 환경 영향성 및 기능성 시험

1. 유해가스 방출량 시험

제작된 섬유벽지 시제품에 대하여 환경부고시 제2008-73호의 실내 공기질 공정시험 기준으로 유해물질 방출량을 시험한 결과 톨루엔은 전혀 검출되지 않았고, 포름알데하이드의 경우도 Tr로서 검출한계 이하로 거의 방출되지 않았으며, TVOC의 경우 0.003 mg/㎡·hr으로서 환경마크 및 공기청정협회 1등급 기준인 포름알데하이드: 0.015 mg/㎡·hr, TVOC: 0.03mg/㎡·hr 보다 적은 양이 방출됨을 확인할 수 있었다.

2. 탈취 시험

제작된 섬유벽지 시제품에 대하여 새집증후군의 원인 물질로 알려져 있는 포름알데하이드 탈취 효율을 측정한 결과 2시간 후 95.8%의 탈취성능 평가 결과를 나타내었다.

3. 원적외선 시험

제작된 벽지 시제품에 대하여 원적외선 방출량 시험 결과는 40℃에서 시험 하였을 때 원적외선 방사율은 0.926이고, 방사에너지는 3.73*10²W로 측정되었다.

4. 항균 시험

제작된 벽지 시제품을 대장균과 녹농균에 대해 세균 감소율을 시험한 결과, 제작된 벽지 시제품은 24시간 후 균수가 감소하여 98.7%의 세균 감소율을 보였다. 녹농균에 대해서도 24시간 후 균수가 감소하여 98.7%의 세균 감소율을 보였다.

5. 항곰팡이 시험

Aspergillus niger ATTC 9642, Penicillium pinophilum ATTC 11797, Chaetomium globosum ATTC 6205, Gliocladium virens ATTC 9645, Aureobasidium pullulans ATTC 15233의 다섯 가지 곰팡이를 혼합하여 시험한 결과 4주 후 시험편의 접종한 부분에 균사의 발육이 인지되지 않음으로써 벽지 표면에서 곰팡이의 성장을 인지할 수 없었다.

Claims

섬유벽지로부터 나오는 유해물질을 저감하기 위한 피톤치드 분말 30-35 중량부, 식물성 솔잎 액상 추출물 10-15 중량부, 천연 제올라이트 분말 12-17 중량부, 항균제 5-10 중량부, 음이온 발생 토르말린 무기물 5-10 중량부, 규산나트륨 3 중량부, 및 규산칼륨 3 중량부를 포함하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물.
제 1 항에 있어서, 피톤치드 분말은 평균 입경이 약 1000 메쉬인 것을 특징으로 하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물.
제 1 항에 있어서, 제올라이트 분말은 모데나이트에 나트륨 양이온을 치환시킨 활성 모데나이트를 평균 입경 1000 메쉬로 분말화한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물.
제 1 항에 있어서, 피톤치드 추출물은 편백나무로부터 추출한 것인 것을 특징으로 하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물.
제 1 항에 있어서, 점성조절제, 소포제 및/또는 발포제를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물.
제 5 항에 있어서, 점성조절제, 소포제 및 발포제의 함량은 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 각각 2-10 중량부, 1-3 중량부 및 1-3 중량부인 것을 특징으로 하는 친환경 고기능 섬유벽지 조성물.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 섬유벽지 원단에 코팅 또는 배접하고, 건조하여 제조한 섬유벽지 제품.