KR20190018034A - 다공성 기질을 위한 박리저항 자기회복 코팅제 및 착색제 - Google Patents

다공성 기질을 위한 박리저항 자기회복 코팅제 및 착색제 Download PDF

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KR20190018034A
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제럴드 오. 윌슨
바이론 알. 에버트
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오토노믹 머터리얼즈, 아이엔씨.
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Abstract

다공성 기질을 보호 및/또는 다공성 기질을 위한 코팅제와 착색제의 박리저항성을 높이는 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 포함하는 착색제나 코팅제를 제공하는 단계; 및 다공성 기질에 착색제나 코팅제를 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 착색제나 코팅제에 대한 손상은 착색제나 코팅제의 크랙이나 스크래치와 같은 손상 지점에 자기회복 물질을 방출할 수 있다. 자기회복 물질은 중합 전구체, 불포화 폴리에스터 레진 또는 알키드, 지방산계 천연 오일 또는 그 유도체, 또는 교차 결합 가능한 실레인 또는 실록산 모노머 또는 레진일 수 있다. 마이크로캡슐화된 자기회복 물질은 셸 벽을 갖는 마이크로캡슐을 포함할 수 있는데, 셸 벽은 열경화성 폴리머나 열가소성 폴리머를 포함할 수 있고, 열경화성 폴리머는 요소포름알데히드, 멜라민포름알데히드, 폴리우레탄, 폴리요소 또는 폴리아크릴레이트를 포함할 수 있으며, 열가소성 폴리머는 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(젖산) 또는 폴리(글리콜산)을 포함한다.

Description

다공성 기질을 위한 박리저항 자기회복 코팅제 및 착색제
실시예는 자기회복(self-healing) 물질에 관한 것으로, 특히 다공성 기질을 위한 박리저항(peel-resistant) 코팅제 및 착색제에 관한 것이다.
코팅제나 착색제가 시간의 경과에 따라 그 아래 기질을 보호하는 성능은 코팅제나 착색제가 기질에 접착되어 유지되는 성능에 의존한다. 이러한 접착력은 코팅제나 착색제의 도포에 앞서 기질의 적절한 준비에 매우 의존적이다. 비금속 기질을 위한 다수의 상업적으로 이용 가능한 코팅제와 착색제는 도포된 기질에 대해 장시간의 접착력을 보여주지 않는다. 이는 기질 준비가 흔히 최적이 아닌 소비자와 "DIY"세분 시장을 목표로 한 착색제와 코팅제의 경우에 특히 그러하다. 그 결과 도포 후 접착 계면 파괴가 빨리 일어날 수 있다.
실시예는 도면과 함께 아래 상세한 설명을 참조함으로써 용이하게 이해될 것이다. 실시예는 도면의 그림의 제한이 아니라 예로서 나타나 있다.
도 1은 다양한 실시예에 따른, 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 함유한 코팅제나 착색제의 예시를 개략적으로 나타낸 것으로, 코팅제나 착색제는 다공성 기질에 도포된다.
도 2는 다양한 실시예에 따른, 종래의 코팅제나 착색제를 개략적으로 나타낸 것으로, 손상은 수분 및 그밖에 환경적 자극제와 반응물을 위한 기점을 야기하는데, 이는 박리를 유발한다.
도 3a 내지 3c는 다양한 실시예에 따른, 반투명 착색제의 다양한 버전의 비교를 나타낸 것으로, 이는 각각 마이크로캡슐을 함유하지 않은 비교 배합물(도 3a), 5 중량 퍼센트(wt%)의 마이크로캡슐 타입 2를 함유한 예시(도 3b) 및 5wt%의 마이크로캡슐 타입 1을 함유한 예시(도 3c)를 포함한다.
도 4a 내지 4c는 다양한 실시예에 따른, 고체 착색제의 다양한 버전의 비교를 나타낸 것으로, 이는 각각 마이크로캡슐을 함유하지 않은 비교 배합물(도 4a), 5wt%의 마이크로캡슐 타입 2를 함유한 예시(도 4b) 및 5wt%의 마이크로캡슐 타입 1을 함유한 예시(도 4c)를 포함한다.
아래 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하며 실행될 수 있는 실시예로 나타난 도면을 참조한다. 다른 실시예가 활용될 수도 있고, 보호범위로부터 벗어남 없이 구조적 또는 이론적 변경이 이루어질 수도 있는 것으로 이해된다. 따라서, 아래 상세한 설명은 제한적인 의미로 간주되지 않으며, 실시예의 보호범위는 첨부된 청구항과 그 등가물에 의해 정의된다.
다양한 작업은 실시예를 이해하는 데 도움이 될 수 있도록, 복수의 별개의 작업으로 차례로 설명될 수 있으나, 그 설명의 순서는 이들 작업이 순서 종속적이라는 뜻으로 해석되어서는 안 된다.
본 설명은 위/아래, 앞/뒤 및 상/하와 같이 원근법에 기반한 설명을 사용할 수 있다. 이러한 설명은 단지 서술을 용이하게 하기 위해 이용된 것으로, 개시된 실시예의 응용을 제한하도록 의도된 것은 아니다.
"결합"과 "연결"이라는 용어 및 그 파생형이 사용될 수 있다. 이들 용어는 서로 유의어로 의도되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 대신, 구체적인 실시예에서, "연결"은 둘 이상의 요소가 서로 직접적인 물리적 또는 전기적 접촉이 이루어져 있음을 나타내기 위해 사용될 수 있다. "결합"은 둘 이상의 요소가 직접적인 물리적 또는 전기적 접촉이 이루어져 있음을 의미할 수 있다. 그러나, "결합"은 둘 이상의 요소가 서로 직접적인 접촉이 이루어져 있지 않고, 서로 협력하거나 상호 작용하는 것을 의미할 수도 있다.
설명을 위해, ""라는 형태나 "및/또는 B"라는 형태의 문구는 (A), (B) 또는 (A와 B)를 의미한다. 설명을 위해, "B 및 C 중 적어도 하나"라는 문구는 (A), (B), (C), (A와 B), (B와 C) 또는 (A, B 및 C)를 의미한다. 설명을 위해, ""라는 형태의 문구는 (B)나 (AB)를 의미하는 것으로, 즉 A는 선택적 요소이다.
본 설명은 "실시예"나 "실시예들"이라는 용어를 사용할 수 있는데, 이는 동일하거나 상이한 실시예 중 하나 이상을 각각 지칭할 수 있다. 나아가, 실시예에 대해 사용될 때, "포함하다", "이루어지다", "갖는다" 등의 용어는 유의어이다.
마이크로캡슐화된 자기회복 물질 및 다공성 기질에 도포될 수 있는 코팅제와 착색제에 이들 물질을 이용하는 방법이 다양한 실시예로 개시되어 있다. "자기회복 물질"이라는 용어는 손상되었을 때 스스로 회복할 수 있는 스마트 물질의 종류를 지칭한다. 다양한 실시예에서, 이하 개시된 마이크로캡슐화된 자기회복 물질은 다공성 기질에 대한 도포에 앞서 착색제나 코팅제에 통합될 수 있다. 마이크로캡슐을 함유한 착색제나 코팅제에 대한 손상은 마이크로캡슐을 파열시켜, 자기회복 물질이 기질의 기공을 침투한 손상 지점으로 방출되어, 기질에 대해 손상된 영역에서 코팅제나 착색제를 중합하고 고정함으로써, 박리를 방지할 수 있다. 따라서, 방출된 자기회복 물질은 손상의 주위를 봉하여, 추가적인 수분 침투와 접착력의 최종 손실을 방지한다. 다양한 실시예에서, 개시된 마이크로캡슐화된 물질은 코팅제나 착색제에 통합되며, 비금속(예컨대 다공성) 기질에 도포되어, 손상된 이후에 코팅제나 착색제의 접착력의 유지를 촉진할 수 있다.
본 개시에 앞서, 크랙은 전형적으로 열 사이클, 습도 변화 또는 사용 관련 힘을 통한 손상과 같은 환경적 요인으로 인해 착색제나 코팅제에 형성된다. 형성되면, 이들 크랙은 수분이 관통하여 침투할 수 있는 도입 경로가 되어, 기질에 대한 착색제나 코팅제의 접착력을 저해한다. 나무와 콘크리트와 같은 다공성 기질에서, 접착력의 이러한 손실은 기질로부터 코팅제나 착색제의 가시적이고 상당한 박리를 야기하여, 그 아래 기질을 저해할 수 있다.
다공성 기질을 위한 코팅제와 착색제 배합물의 종래의 제조사는 전형적으로 손상이 일어나면 그 회복보다, 해당 표면의 접착력을 개선하는 것에 주력한다. 예를 들어, 종래의 기술은 자기회복 기술 대신 더 잘 디자인된 반응물(모노머와 레진)과 첨가물(유동성 수정제, 계면 활성제, 부식 방지제 등)에 주력한다. 그밖에 선행 기술은 가열 시, 열가소성 물질의 유동이 그 물질의 미세한 스크래치를 고르게 하도록, 열가소성 물질이 열경화성 물질 내에서 구분된 "이상(biphasic)"설계를 활용한다. 이하 개시된 배합물과 달리, 이러한 방법은 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 활용하지 않으며, 그 방법은 폴리우레탄계 코팅제에 한정적이다. 또 다른 선행 기술은 자기회복 특성을 갖는 투명 코팅제의 디자인을 포함하지만, 이들 배합물은 나무와 콘크리트와 같은 다공성 기질에 이용되도록 의도되지 않는다.
자기회복 기술은 미국 특허번호 9,296,895와 9,279,043에 개시된 바와 같이, 금속 기질에 대해 개발되어 왔는데, 이들은 전부 참조로 통합되어 있다. 본 개시에 앞서, 회복 물질로서 불포화 폴리에스터 화학물의 이용을 참조하면, 이들 기술은 다공성 기질로부터 박리에 대한 코팅제의 저항성을 개선하기 위한 것이 아니라, 금속 기질에 대한 이용을 위해 디자인되었다. 금속 기질과 달리, 다공성 기질은 손상 지점에 방출된 자기회복 물질을 흡수할 수 있는데, 이는 손상 지점으로부터 자기회복 물질의 제거를 야기할 수 있다. 따라서, 통상의 기술자는 소량의 자기회복 물질만 기질에 대한 접착력의 유지와 기질의 보호를 위해 손상 지점에서 이용 가능하기 때문에, 이러한 배합물이 다공성 기질에 대해 효과적이지 않은 것으로 예상되어 왔다.
예상과 달리, 이하 개시된 바와 같이, 본 발명자는 생각과 달리, 기질로 자기회복 물질의 흡수가 기질에 대한 코팅제의 개선된 고정을 촉진하여, 손상 이후에 접착력을 유지하는 코팅제의 성능을 개선한다는 것을 알았다. 따라서, 청구된 배합물에 의해 제공된 최종 박리저항성은 나무, 콘크리트 및 그밖에 비금속 기질과 같은 다공성 기질에 이용될 때 매우 효과적이다.
따라서, 다양한 실시예에서, 본 개시는 폴리머 전구체(예컨대 자기회복 물질)를 함유한 마이크로캡슐을 이용하며, 이들 마이크로캡슐은 나무나 콘크리트와 같은 다공성 기질에 도포되는 코팅제나 착색제에 통합될 수 있다. 도 1은 다양한 실시예에 따른, 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 함유한 코팅제나 착색제의 예시를 개략적으로 나타내는데, 코팅제나 착색제는 다공성 기질에 도포된다. 도 1에 나타난 바와 같이, 코팅제나 착색제에 대한 손상은 마이크로캡슐을 파열시켜, 경화에 앞서 기질을 침투한 손상 지점으로 자기회복 물질을 방출한다. 경화 시, 자기회복 물질은 기질에 코팅제나 착색제를 고정한다.
예를 들어, 이러한 코팅제나 착색제가 코팅제나 착색제에 응력을 가하여 파괴를 유발하는 (열 사이클과 같은) 환경적 요인 또는 사용으로 인한 스크래치와 충격과 같은 기계적 요인에 의해 손상되었을 때, 내장된 마이크로캡슐이 파열되어, 파손 지점으로 자기회복 물질을 방출한다. 손상 지점에 방출되면, 자기회복 물질은 다공성 기질의 기공을 침투하여, 중합이나 가교(cross-linking)가 이루어진다. 다양한 실시예에서, 기질의 기공의 침투로 인해, 최종 가교 자기회복 물질은 기공 내에 고정되어, 기질에 대한 코팅제나 착색제의 접착력을 개선한다.
도 2는 다양한 실시예에 따른, 종래의 코팅제나 착색제를 개략적으로 나타내는데, 손상은 수분과 그밖에 환경적 자극제와 반응물에 대한 기점을 야기하여, 박리를 유발한다. 도 2에 나타난 바와 같이, 자기회복 기능이 없는 기본 코팅제나 착색제는 손상이 일어날 때 손상 지점에서 회복을 보이지 않으며, 이에 손상된 이후에 코팅제나 착색제의 접착력을 유지할 수 없다.
다양한 실시예에서, 이하 개시된 다양한 배합물과 방법에 이용하기 위한 자기회복 물질은 나무와 콘트리트와 같은 다공성 기질에 대해 우수한 접착력을 갖는 폴리머를 형성하는 임의의 중합 전구체를 포함할 수 있는데, 이는 불포화 폴리에스터 레진 또는 알키드, 지방산계 천연 오일 및 그 유도체, 교차 결합 가능한 실란 및 실록산 모노머 및 레진을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 실시예에서, 마이크로캡슐 셸 벽은 임의의 다양한 열경화성 폴리머로 형성될 수 있는데, 이는 현장 또는 계면 캡슐화 방법(in-situ or interfacial encapsulation method)을 통해 미리 준비된 폴리아크릴레이트, 요소포름알데히드, 멜라민포름알데히드, 폴리우레탄 및 폴리요소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 실시예에서, 셸 벽은 열가소성 폴리머로 형성될 수 있는데, 이는 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(젖산), 폴리(글리콜산)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시
예시 1: 자기회복 물질의 준비 및 마이크로캡슐화
액체 자기회복 물질은 알키드 레진(60wt%), 에틸페닐아세테이트(EPA, 2.5wt%) 및 헥실아세테이트(37.5wt%)를 혼합함으로써 준비되었다. 최종 혼합물은 캡슐화 과정 동안 코어 상(core phase)을 형성했다. 에멀션은 50mL의 물에서 5wt% 용액의 폴리(에틸렌코말레산무수물(ethylene-co-maleic anhydride))(MW=400Da)를 200mL의 물을 수용하는 1000mL의 비커에 첨가함으로써 준비되었다. 비커는 25℃로 설정된 워터 배스에 배치되었다. 요소(5g), 염화암모늄(0.5g) 및 레조르시놀(0.5g)이 교반 동안 첨가되었다. 혼합물의 pH는 3.5로 조절되었다. 이후 코어 상(60mL)이 첨가되었으며, 교반기는 1000RPM으로 조절되었고, 균질기는 13000RPM으로 설정되었다. 약 15분 동안 교반 후, 포름알데히드(12.77g)가 첨가되었다. 워터 배스의 온도는 1℃/분의 속도로 55℃로 증가되었다. 이후 반응이 총 4시간 동안 진행되도록 허용되었으며, 그 후 실온으로 냉각되도록 허용되었다.
최종 캡슐은 5미크론의 평균 크기를 보였다. 마이크로캡슐은 여과조에 의해 물 상(water phase)으로부터 분리되었다. 최종 "필터 케이크" 또는 "웨트 케이크"는 대략 50wt%의 물을 함유했으며, 이러한 최종 형태는 수계 배합물(water-borne formulations)에 첨가된 한편, 솔벤트계 배합물의 경우, 캡슐은 분무 건조에 의해 슬러리로부터 고립되어 5wt% 미만의 함수량을 갖는 자유 유동 파우더(free flowing powder)를 산출했다. 이러한 개시를 위해, 이러한 배합물의 캡슐화로부터 얻은 마이크로캡슐을 마이크로캡슐 타입 1이라 하고, EPA가 헥실아세테이트를 대체한 유사 배합물을 마이크로캡슐 타입 2라 한다.
예시 2: 코팅제나 착색제 배합물의 준비 및 도포
수계 나무 착색제에 앞서 미리 준비한 5wt%의 캡슐을 통합하기 위해, 10wt%의 웨트 케이크가 상업적으로 이용 가능한 기본 반투명 또는 고체 착색제에 첨가되었다. 캡슐은 1000RPM과 2000RPM 사이로 기계적 교반기를 이용하여 혼합되었다. 최종 착색제는 브러시에 의해 남부산 황소나무 샘플에 도포되었는데, 천, 롤러 및 스프레이 건에 의한 도포도 효과적인 것으로 확인되었다.
예시 3: 접착력 유지의 평가
앞서 예시 2로 설명된 바에 따라 코팅된 나무 샘플은 면도날을 이용하여 "자 선"이 그어졌으며, 24시간 동안 실온에 놓였다. 이후 패널은 4시간 동안 탈염수로 젖은 면 천으로 덮였으며, 그 후 천이 제거되어 샘플이 16시간 동안 냉동고에 배치되었다. 이후 샘플은 냉동고 밖으로 나와 실온에서 작업대에 배치되어 4시간 동안 해동되고 건조되었다. 이러한 일련의 과정이 총 10번 반복되었으며, 그 후 선 위에 테이프를 붙이고 표면에 평행한 자유단으로 테이프를 빠르게 잡아당김으로써 선이 그어진 영역 주변의 코팅제의 접착력이 평가되었다.
그 결과는 도 3a 내지 3c 및 4a 내지 4c에 나타난 이미지와 같다. 도 3a 내지 3c는 다양한 실시예에 따른, 반투명 착색제의 다양한 버전의 비교를 나타내는데, 이는 각각 마이크로캡슐을 함유하지 않은 비교 배합물(도 3a), 5 웨이트 퍼센트(wt%)의 타입 2를 함유한 예시(도 3b) 및 5wt%의 타입 1을 함유한 예시(도 3c)를 포함한다. 도 4a 내지 4c는 다양한 실시예에 따른, 고체 착색제의 다양한 버전의 비교를 나타내는데, 이는 각각 마이크로캡슐을 함유하지 않은 비교 배합물(도 4a), 5wt%의 타입 2를 함유한 예시(도 4b) 및 5wt%의 타입 1을 함유한 예시(도 4c)를 포함한다.
비록 특정한 실시예가 나타나고 설명되었지만, 폭넓은 변경 및/또는 등가 실시예 또는 동일한 목적을 얻기 위해 계산된 시행이 보호범위로부터 벗어남 없이 나타나고 설명된 실시예로 교체될 수 있는 것으로 통상의 기술자에게 이해될 것이다. 통상의 기술자는 실시예가 매우 폭넓은 방식으로 시행될 수 있는 것으로 이해할 것이다. 이러한 응용은 이상 서술된 실시예의 수정이나 변형을 커버하도록 의도된다. 따라서, 실시예는 청구항과 그 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 분명하게 의도된다.

Claims (22)

  1. 다공성 기질을 보호하는 방법으로서,
    마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 포함하는 착색제나 코팅제를 제공하는 단계; 및
    다공성 기질에 상기 착색제나 코팅제를 도포하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 착색제나 코팅제에 대한 손상은 손상 지점에 상기 자기회복 물질을 방출하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 손상 지점은 상기 착색제나 코팅제의 기계적 파괴를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 손상 지점은 상기 착색제나 코팅제의 스크래치나 크랙을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    자기회복 물질을 제공하는 단계; 및
    상기 자기회복 물질을 마이크로캡슐화함으로써, 상기 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기회복 물질은 중합 전구체인 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기회복 물질은 불포화 폴리에스터 레진 또는 알키드, 지방산계 천연 오일 또는 그 유도체, 또는 교차 결합 가능한 실레인 또는 실록산 모노머 또는 레진인 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐화된 자기회복 물질은 셸 벽을 갖는 마이크로캡슐을 포함하고,
    상기 셸 벽은 열경화성 폴리머나 열가소성 폴리머를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열경화성 폴리머는 요소포름알데히드, 멜라민포름알데히드, 폴리우레탄, 폴리요소 또는 폴리아크릴레이트를 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐은 현장 또는 계면 캡슐화 방법을 통해 미리 준비되는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 열가소성 폴리머는 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(젖산) 또는 폴리(글리콜산)을 포함하는 방법.
  12. 착색제나 코팅제의 박리저항성을 높이는 방법으로서,
    착색제나 코팅제와 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 혼합하는 단계; 및
    다공성 기질에 상기 착색제나 코팅제를 도포하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 착색제나 코팅제에 대한 손상은 손상 지점에 상기 자기회복 물질을 방출하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 손상 지점은 상기 착색제나 코팅제의 기계적 파괴를 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 손상 지점은 상기 착색제나 코팅제의 스크래치나 크랙을 포함하는 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    자기회복 물질을 제공하는 단계; 및
    상기 자기회복 물질을 마이크로캡슐화함으로써, 상기 마이크로캡슐화된 자기회복 물질을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 자기회복 물질은 중합 전구체인 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 자기회복 물질은 불포화 폴리에스터 레진 또는 알키드, 지방산계 천연 오일 또는 그 유도체, 또는 교차 결합 가능한 실레인 또는 실록산 모노머 또는 레진인 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐화된 자기회복 물질은 셸 벽을 갖는 마이크로캡슐을 포함하고,
    상기 셸 벽은 열경화성 폴리머나 열가소성 폴리머를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 열경화성 폴리머는 요소포름알데히드, 멜라민포름알데히드, 폴리우레탄, 폴리요소 또는 폴리아크릴레이트를 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐은 현장 또는 계면 캡슐화 방법을 통해 미리 준비되는 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 열가소성 폴리머는 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(젖산) 또는 폴리(글리콜산)을 포함하는 방법.
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