WO2021194198A1 - 내수성이 우수한 단열 코팅 조성물 - Google Patents

내수성이 우수한 단열 코팅 조성물 Download PDF

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WO2021194198A1
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coating composition
insulation coating
airgel
polyoxyethylene
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허욱환
이정섭
정선교
진경동
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주식회사 익스톨
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Definitions

  • the present invention relates to a thermal insulation coating composition having excellent water resistance, and in particular, by providing excellent water resistance, including surface-modified airgel, to prevent deterioration of thermal insulation performance due to moisture, minimize heat loss, and thereby improve room characteristics. It relates to a thermal insulation coating composition.
  • airgel is used for industrial or home use and has excellent insulation properties for most insulation materials.
  • the airgel is a transparent or translucent ultra-low-density high-tech material having a nanoporous structure, a porosity of 90% or more, and a specific surface area of several hundred to 1,000 m 2 /g.
  • airgel due to high brittleness, airgel is very weak in strength, such as being easily broken even by a small impact, so it is difficult to process it into various thicknesses and shapes. It is used in the form of a mixed complex.
  • the powder surface of the airgel exhibits hydrophobicity and porosity, making it difficult to achieve stable dispersion when mixed with a binder material. That is, in the case of using a water-soluble binder, it is difficult to mix them due to the hydrophobic airgel properties that do not mix with water.
  • the organic binder it has penetrates into the numerous micropores of the airgel. The organic binder infiltrated into the numerous micropores of the airgel is difficult to remove due to the surface tension, and may lower the special thermal insulation performance of the airgel.
  • One aspect of the present invention includes an airgel, a silica filler, an inorganic pigment, a polymer resin, and a dispersion medium surface-treated with polyoxyethylene alkyl ether (PEO) of Formula 1, wherein the silica filler includes soda, lime and borosilicate to provide a thermal insulation coating composition in the form of a glass bubble, wherein the weight ratio of the surface-treated airgel and the silica filler is 1:4 to 1:15:
  • PEO polyoxyethylene alkyl ether
  • m+n 9 to 20
  • x 1 to 25.
  • the present invention provides a thermal insulation material comprising the thermal insulation coating composition.
  • the heat insulation coating composition according to the present invention includes the airgel surface-treated with PEO, good miscibility and stability between components are improved, providing excellent water resistance along with the airgel's intrinsic heat insulation performance. characteristics can be improved.
  • 1 to 2 are comparisons of the thermal insulation performance according to the temperature when the thermal insulation coating composition according to an embodiment of the present invention is applied and when not applied.
  • 3 is a comparison of the degree of artificial condensation according to water resistance when the insulation coating composition according to an embodiment of the present invention and a commercially available competitor's product are applied to the same thickness.
  • 4a and 4b show the surface temperature of each coating layer compared with the internal temperature (chamber) when dew condensation occurs when the insulating coating composition according to an embodiment of the present invention and a commercially available competitor's product are applied to the same thickness.
  • composition according to an embodiment of the present invention includes a surface-treated airgel, a silica filler, an inorganic pigment, a polymer resin, and a dispersion medium.
  • the surface-treated airgel is 0.1 to 10.0 wt%
  • the silica filler is 15.0 to 20 wt%
  • the inorganic pigment is 5.0 to 10.0 wt%
  • the polymer resin is 10.0 to 20.0 wt%
  • a dispersion medium 45.0 to 60.0% by weight may be included.
  • the airgel included in the composition may have a porous network structure and contain 90% or more of air therein.
  • hydrophobic silica airgel can be used.
  • the airgel has a porosity of 80% to 99%, preferably 85% to 97%, a density of 0.001 to 0.5 g/cm 3 , preferably 0.005 to 0.35 g/cm 3 , and an internal surface area of 200 to 2000 m 2 /g, preferably 400 to 1800 m 2 /g.
  • the airgel may be in the form of a powder having an average particle diameter of 50 nm to 100 ⁇ m, preferably 1 to 50 ⁇ m, and more preferably 10 to 45 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the airgel satisfies the above range, it is advantageous to form pores showing the airgel's unique properties and to disperse it when mixed with other materials, and when applied as a heat insulating material, an increase in surface roughness and a decrease in mechanical properties can be prevented have.
  • the airgel may have a pore size of 1 to 100 nm, preferably 5 to 60 nm, more preferably 10 to 50 nm.
  • the pore size of the airgel means the average pore diameter.
  • the pore volume in the airgel may be 1 to 10 cm 3 /g, preferably 1.5 to 7 cm 3 /g, more preferably 2 to 4 cm 3 /g.
  • the thermal insulation effect can be expressed by minimizing the heat conduction path by sufficiently securing the space occupied by air, and it is possible to prevent the phenomenon that the thermal insulation effect is reduced due to the convection of the air because the pores are too large.
  • the airgel having the above characteristics is used by surface treatment with polyoxyethylene alkyl ether represented by the following formula (1).
  • m+n 9 to 20
  • x 1 to 25.
  • the polyoxyethylene alkyl ether having the structure of Formula 1 is also called polyethylene oxide (PEO), and is an amphoteric organic compound having both a hydrophobic group and a hydrophilic group in the chain. Therefore, the hydrophilic group can interact with water and the hydrophobic group can interact with the hydrophobic surface of the airgel, thereby improving dispersibility while controlling the hydrophobicity of the airgel in an aqueous solution.
  • PEO polyethylene oxide
  • the polyoxyethylene alkyl ether of Chemical Formula 1 has a long-chain molecular structure, solvents or binders cannot easily penetrate into the pores of the airgel to protect the internal pores. Miscibility with solvents and binders can be improved without
  • examples of the polyoxyethylene alkyl ether include polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene cetyl ether, and polyoxyethylene oleyl ether. ) or mixtures thereof.
  • m+n may be 9 to 11, and x may be 1 to 14.
  • the polyoxyethylene alkyl ether used for surface treatment of the airgel may be used in an amount of 0.7 to 5 parts by weight, such as 1 to 3 parts by weight, based on 100 parts by weight of the airgel.
  • the content of the polyoxyethylene alkyl ether satisfies the above range, the hydrophobicity control effect of the airgel surface may be exerted.
  • the polyoxyethylene alkyl ether is used in excess, layer separation may occur and the pores of the airgel may be impregnated with an organic binder or solvent, thereby impairing unique thermal insulation performance.
  • the silica filler includes lime (lime) and borosilicate such as Na 2 CO 3 Soda, CaO, MgO, Al 2 O 3 It is a low-density particle in the form of a glass bubble.
  • the density of the glass bubble-type silica filler is preferably 0.1 to 0.5 g/cc, and more preferably 0.1 to 0.3 g/cc or 0.1 to 0.2 g/cc.
  • a particle diameter of the silica filler may be 5 to 120 ⁇ m, and D50 may be 30 to 70 ⁇ m. Preferably, D50 may be between 40 and 70 ⁇ m or between 50 and 65 ⁇ m.
  • silica fillers have excellent water resistance, allowing the formation of a stable emulsion of the composition, exhibiting non-porosity and non-combustibility (fire resistance), so that they do not absorb the polymer resin component contained in the composition, and also exhibit low alkalinity and compatibility with most resins. This is excellent, so that the viscosity of the composition can be stabilized and the shelf life can be prolonged.
  • the glass bubble form of the silica filler has a peculiar spherical shape of a fine hollow glass sphere, and high loading is possible in the composition, and the viscosity increase of the polymer resin is minimized to improve the composition's low viscosity and flow. By doing so, it is possible to reduce shrinkage and reduce warpage during coating of the composition.
  • silica fillers can be obtained and used commercially, for example, silica fillers of 3M's K series (K1, K15, K20, K25, K37, K46, etc.) can be used.
  • the surface-treated airgel and silica filler may be included in a weight ratio of 1:4 to 1:15, and a high content of such fillers sufficiently provides anti-condensation properties due to heat insulation. It is advantageous to be able to express If the silica filler is used in a smaller amount than the above weight ratio, the coating properties or water resistance may be poor, and if used in an excess of the above weight ratio, the adhesion strength after coating the composition decreases to meet the intended anti-condensation properties. It can be difficult.
  • the inorganic pigment serves to improve the impact strength of the dried film after coating, and may include dolomite, magnesium carbonate, titanium dioxide, or a mixture thereof.
  • the polymer resin is a component used to improve strength by supplementing the weak brittleness of the airgel and to secure adhesion to the substrate of the coating composition, polyvinyl alcohol (polyvinyl alcohol) , PVA), ethylene-vinyl acetate copolymer, cellulose, silicone, acrylate resin, urethane resin, epoxy resin, polyimide ) or mixtures thereof.
  • the dispersion medium may include water, ethylin glycol, or a mixture thereof. These dispersion medium may be used in an amount of 45.0 to 60.0% by weight based on the total weight of the composition, and accordingly, the thermal insulation coating composition of the present invention may be in the form of a paste having a solid content of 25% to 50%.
  • the composition in the form of a paste is advantageous in terms of workability because it is easy for a user to handle during coating.
  • the thermal insulation coating composition of the present invention comprising the components as described above can provide excellent water resistance along with thermal insulation performance without emission of harmful substances such as VOC, RoHS, and halogen substances, thereby preventing thermal insulation performance deterioration due to moisture. By minimizing the loss, excellent room characteristics can be realized.
  • the heat insulation coating composition of the present invention can be coated with a thickness of 0.5 to 3 m 2 /L on cement, concrete, mortar, etc., and then dried at 25° C. for 24 hours to obtain a coating film having a thickness of 0.5 to 3 mm,
  • the coating film may exhibit excellent thermal insulation performance in the range of 0.03 to 0.06 W/m ⁇ K of thermal conductivity measured by ASTM E1461.
  • the coating film has excellent water resistance when a refrigerant temperature of 9° C. is applied in an artificial condensation generation evaluation test using a constant temperature/humidity device with a temperature of 30° C. and a humidity of 75%, so that it is possible to improve the anti-condensation properties.
  • the thermal insulation coating composition of the present invention may be used as an eco-friendly insulation material having excellent thermal insulation performance at room temperature, low temperature and high temperature.
  • the present invention provides a thermal insulation material comprising the thermal insulation coating composition, and the thermal insulation material has excellent thermal insulation performance and water resistance in various industrial fields, and thus can be used as a functional member for improving room characteristics.
  • the prepared thermal insulation coating composition had a thermal conductivity of 0.042 W/m ⁇ K measured by ASTM E1461, a density of 0.40 g/ml, and a total volatile organic compound (TVOC) of 0.046 mg/m 2 h.
  • the insulating coating composition prepared in Example 1 was applied on the surface of a sealed acrylic box and dried at 25° C. for 24 hours to obtain a coating film having a thickness of 3 mm.
  • Example 1 the acrylic box coated with the thermal insulation coating composition of Example 1 and the uncoated acrylic box were placed in a constant temperature chamber, respectively, and exposed to high temperature (50° C.) and low temperature (-10° C.) to measure the change in internal temperature. The results are shown in FIGS. 1 and 2 .
  • the non-coated box which is a comparative group, has a difference of only 1.9 ° C. in the internal temperature with respect to the external temperature (50 ° C.), whereas the application box coated with the thermal insulation coating composition of Example 1 shows a temperature difference of 10.2 ° C. It can be seen that the thermal insulation effect is excellent by keeping the internal temperature low from the high external temperature.
  • Figure 2 is a comparison of the insulation performance in a low-temperature environment of -10 °C when not coated with the insulation coating composition according to Example 1.
  • the non-coated box as a comparative group had only a difference of 0.7° C. in the internal temperature with respect to the external temperature (-10° C.), whereas the application box coated with the thermal insulation coating composition of Example 1 showed a temperature difference of 13.1° C. Therefore, it can be seen that the thermal insulation effect is excellent by maintaining the internal temperature high from the low external temperature.
  • Example 1 The insulation coating composition prepared in Example 1 and a commercially available competitor's product were applied to the same thickness of 3 mm on an acrylic plate, dried at 25 ° C. for 24 hours, and then placed in a constant temperature/humidity chamber at 30 ° C. By applying the temperature, the occurrence of artificial dew condensation was evaluated. At this time, the blank surface temperature was 18.2 °C. The results are shown in Tables 1 to 2 and FIGS. 3 to 4 .
  • Table 1 and FIG. 3 show a comparison of the degree of artificial condensation according to water resistance (moisture resistance) when the insulating coating composition according to Example 1 and a commercially available competitor's product are applied to the same thickness. It can be seen that the case of #4 applied has the least amount of water droplets forming.
  • Table 2 and FIG. 4 show the surface temperature of each coating layer compared with the internal temperature (chamber) when dew condensation occurs when the thermal insulation coating composition according to Example 1 and a commercially available competitor's product are applied to the same thickness. It can be seen that the coating composition maintains a high internal temperature compared to the surface, thereby providing excellent thermal insulation performance.
  • the thermal insulation coating composition prepared in Example 1 and a commercially available competitor's product were applied to the same thickness of 3 mm on an acrylic plate, dried at 25° C. for 24 hours, peeled, and the shape change was evaluated in a state immersed in water for 120 minutes. The results are shown in FIG. 5 .

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Abstract

본 발명은 화학식 1의 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르(PEO)로 표면처리된 에어로겔, 실리카 충진제, 무기질 안료, 고분자 수지 및 분산매를 포함하는 단열 코팅 조성물, 및 이를 포함하는 단열재를 제공한다. 본 발명에 따른 단열 코팅 조성물은 표면처리된 에어로겔을 포함함에 따라 성분들간의 양호한 혼화성 및 안정성이 개선되어 에어로겔 고유의 단열 성능과 함께 우수한 내수성을 제공하며, 이로부터 결로발생을 억제하는 방로특성을 향상시킬 수 있다.

Description

내수성이 우수한 단열 코팅 조성물
본 출원은 2020년 3월 23일자로 출원된 한국특허출원 10-2020-0035005호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 특허문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 내수성이 우수한 단열 코팅 조성물에 관한 것으로, 상세하게는 표면개질된 에어로겔을 포함하여 우수한 내수성을 제공함으로써 수분에 의한 단열 성능 저하를 방지하고 열손실을 최소화하며, 이로부터 방로특성을 향상시키는 단열 코팅 조성물에 관한 것이다.
최근 산업적 또는 가정용으로 이용되고 대부분의 단열 소재에는 단열 특성이 우수한 에어로겔이 사용되고 있다.
상기 에어로겔은 나노다공성 구조를 구비하여 기공율이 90% 이상이고, 비표면적이 수백 내지 1,000 m 2/g 정도인 투명 또는 반투명인 극저밀도의 첨단소재이다. 그러나, 에어로겔은 높은 취성으로 인하여 작은 충격에도 쉽게 부서지는 등 강도가 매우 취약하여 다양한 두께 및 형태로의 가공이 어렵기 때문에 우수한 단열특성에도 불구하고 에어로겔 단독으로는 단열재로의 응용이 어려워 다른 재료와 혼합된 복합체의 형태로 사용되고 있다.
한편, 에어로겔의 분말 표면은 소수성 및 다공성을 나타내어 바인더 물질과의 혼합시 안정한 분산을 이루기 어렵다. 즉, 수용성의 바인더를 이용하는 경우에는 물과 혼합되지 않는 소수성의 에어로겔 특성으로 인해 이들의 혼합이 어렵고, 이를 극복하기 위해 소수성 유기 바인더를 사용하는 경우에는 소수성 에어로겔이 유기 바인더와 잘 혼합되기는 하지만 유동성을 가지고 있는 유기 바인더가 에어로겔의 수많은 미세 기공으로 침투해 들어가게 된다. 에어로겔의 수많은 미세 기공으로 침투된 유기 바인더는 표면장력으로 인하여 제거하기가 어렵고, 에어로겔이 갖는 특수한 단열 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
이에, 에어로겔의 표면 특성을 다른 성분과 양호한 혼합이 가능한 상태로 개질하여 사용함으로써 단열 성능을 비롯한 다른 우수한 물성을 확보하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 다른 성분과 혼화성이 우수하도록 표면개질된 에어로겔을 사용함으로써 단열 성능과 함께 우수한 내수성을 부여할 수 있는 코팅 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 하기 화학식 1의 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르(PEO)로 표면처리된 에어로겔, 실리카 충진제, 무기질 안료, 고분자 수지 및 분산매를 포함하고, 상기 실리카 충진제는 소다, 라임 및 보로실리케이트를 포함하는 글라스 버블 형태이며, 상기 표면처리된 에어로겔 및 실리카 충진제의 중량비는 1:4 내지 1:15인 단열 코팅 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2021003535-appb-img-000001
상기 식에서, m+n 은 9 내지 20 이고, x는 1 내지 25이다.
또한, 본 발명은 상기 단열 코팅 조성물을 포함하는 단열재를 제공한다.
본 발명에 따른 단열 코팅 조성물은 PEO로 표면처리된 에어로겔을 포함함에 따라 성분들간의 양호한 혼화성 및 안정성이 개선되어 에어로겔 고유의 단열 성능과 함께 우수한 내수성을 제공하며, 이로부터 결로발생을 억제하는 방로특성을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 2는 본 발명의 실시예에 따른 단열 코팅 조성물을 도포한 경우와 도포하지 않은 경우의 온도에 따른 단열 성능을 비교한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단열 코팅 조성물 및 시판중인 타사 제품을 동일한 두께로 적용했을 때 내수성에 따른 인공 결로 발생 정도를 비교한 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따른 단열 코팅 조성물 및 시판중인 타사 제품을 동일한 두께로 적용했을 때 결로 발생시 각 코팅층의 표면 온도를 내부 온도(chamber)와 비교하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단열 코팅 조성물 및 시판중인 타사 제품을 동일한 두께로 적용했을 때 내수성에 따른 밀착 내구성을 비교한 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시양태에 따른 조성물은 표면처리된 에어로겔, 실리카 충진제, 무기질 안료, 고분자 수지 및 분산매를 포함한다.
상기 조성물은 전체 중량을 기준으로, 상기 표면처리된 에어로겔은 0.1 내지 10.0 중량%, 실리카 충진제는 15.0 내지 20 중량%, 무기질 안료는 5.0 내지 10.0 중량%, 고분자 수지는 10.0 내지 20.0 중량%, 및 분산매 45.0 내지 60.0 중량%를 포함될 수 있다.
상기 조성물에 포함되는 에어로겔은 다공성의 망목구조를 가지며, 내부에 공기를 90% 이상 함유하는 것일 수 있다. 예컨대, 소수성의 실리카 에어로겔이 사용될 수 있다.
상기 에어로겔은 기공율이 80% 내지 99%, 바람직하게는 85% 내지 97% 이고, 밀도가 0.001 내지 0.5 g/cm 3, 바람직하게는 0.005 내지 0.35 g/cm 3 이며, 내부 표면적이 200 내지 2000 m 2/g, 바람직하게는 400 내지 1800 m 2/g 일 수 있다.
상기 에어로겔은 평균 입경이 50㎚ 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50 ㎛, 보다 바람직하게는 10 내지 45 ㎛인 분말 형태일 수 있다. 상기 에어로겔의 평균 입경이 상기 범위를 만족할 때, 에어로겔 고유의 특성을 나타내는 기공 형성 및 다른 재료와의 혼합 시 분산이 유리하고, 단열 소재로 적용될 때 표면 거칠기의 증가 및 기계적 물성의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 에어로겔의 기공 크기는 1 내지 100 ㎚, 바람직하게는 5 내지 60 ㎚, 보다 바람직하게는 10 내지 50 ㎚ 일 수 있다. 여기서, 에어로겔의 기공 크기는 평균 기공 직경을 의미한다. 상기 에어로겔의 기공 크기가 상기 범위를 만족할 때, 안정적인 물성과 분산성을 보장하면서 동시에 열전도의 증가 없이 공기의 대류를 억제하여 효과적인 단열 성능을 발현할 수 있다.
상기 에어로겔 내 기공 부피는 1 내지 10 ㎤/g, 바람직하게는 1.5 내지 7 ㎤/g, 보다 바람직하게는 2 내지 4 ㎤/g일 수 있다. 상기 기공 부피를 만족할 때, 공기가 차지하는 공간을 충분히 확보하여 열전도 경로를 최소화함으로써 단열 효과를 발현할 수 있고, 기공이 너무 커서 공기의 대류에 의해 단열 효과가 저하되는 현상을 방지할 수 있다.
일반적으로, 단열 소재로 사용되는 에어로겔은 상기한 바와 같이 다공성의 구조를 가지면서 입자 표면은 소수성을 나타내기 때문에 바인더와 같은 다른 물질과의 혼합시에 안정한 분산을 이루기 어렵다.
이에, 본 발명에서는 상기한 바와 같은 특성의 에어로겔을 하기 화학식 1의 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르로 표면처리하여 사용한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2021003535-appb-img-000002
상기 식에서, m+n 은 9 내지 20 이고, x는 1 내지 25이다.
상기 화학식 1의 구조를 갖는 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)라고도 명명되며, 사슬 내에 소수성기와 친수성기를 동시에 갖는 양쪽성 유기 화합물이다. 따라서, 친수성기는 물과 상호작용을 하고 소수성기는 에어로겔의 소수성 표면과 상호작용이 가능하여, 수용액 중에서 에어로겔의 소수성을 조절하면서 분산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 화학식 1의 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르는 긴 사슬 형태의 분자 구조를 가지므로 에어로겔의 기공으로 용제나 바인더가 쉽게 침투하지 못하여 내부 기공을 보호할 수 있으며, 이러한 특성으로 에어로겔 특유의 단열 특성을 저하시키지 않으면서 용제 및 바인더와의 혼화성을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르의 예로는 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르(polyoxyethylene lauryl ether), 폴리옥시에틸렌 세틸 에테르(polyoxyethylene cetyl ether), 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르(polyoxyethylene oleyl ether) 또는 이들의 혼합물이 포함될 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에서, m+n 은 9 내지 11 이고, x는 1 내지 14 일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 조성물에서, 상기 에어로겔의 표면처리에 사용되는 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르는 에어로겔 100 중량부 기준으로 0.7 내지 5 중량부, 예컨대 1 내지 3 중량부로 사용될 수 있다. 상기 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르의 함량이 상기 범위를 만족할 때 에어로겔 표면의 소수성 조절 효과를 발휘할 수 있다. 상기 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르가 과량으로 사용되는 경우에는 층분리가 일어나 에어로겔의 기공이 유기 바인더 또는 용제로 함침될 수 있어 특유의 단열 성능을 저해할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 단열 코팅 조성물에서, 상기 실리카 충진제는 Na 2CO 3의 소다(soda), CaO, MgO, Al 2O 3 등의 라임(lime) 및 보로실리케이트(borosilicate)를 포함하는 글라스 버블 형태의 저밀도 입자이다.
상기 글라스 버블 형태 실리카 충진제의 밀도는 0.1 내지 0.5 g/cc 인 것이 바람직하며, 0.1 내지 0.3 g/cc 또는 0.1 내지 0.2 g/cc 인 것이 보다 바람직하다.
상기 실리카 충진제의 입경은 5 내지 120 ㎛ 일 수 있으며, D50은 30 내지 70 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, D50은 40 내지 70 ㎛ 또는 50 내지 65 ㎛일 수 있다.
이러한 실리카 충진제는 내수성이 우수하여 조성물의 안정한 에멀젼 형성을 가능케 하고, 비다공성 및 비연소성(내화성)을 나타내어 조성물에 포함된 고분자 수지 성분을 흡수하지 않으며, 또한 저알칼리성을 나타내어 대부분의 수지와의 양립성이 우수하여 조성물의 점도를 안정시키고 저장 수명을 길게 할 수 있다.
특히, 상기 실리카 충진제의 글라스 버블 형태는 미세한 중공 유리구의 특이한 구형 모양을 갖는 것으로, 조성물 중에 고로딩(high loading)이 가능하고, 고분자 수지의 점도 상승을 최소화하여 조성물의 저점도 및 흐름 개선을 도모함으로써 조성물의 코팅시 수축 감소 및 뒤틀림(warpage) 감소를 가능케 한다.
이러한 실리카 충진제는 상업적으로 입수하여 사용할 수 있으며, 예컨대 3M사의 K 시리즈(K1, K15, K20, K25, K37, K46 등)의 실리카 충진제를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 단열 코팅 조성물에서, 상기 표면처리된 에어로겔 및 실리카 충진제는 1:4 내지 1:15의 중량비로 포함될 수 있으며, 이러한 충진제의 고함량은 단열에 의한 결로방지 특성을 충분히 발현할 수 있어 유리하다. 만약 실리카 충진제가 상기 중량비 보다 소량으로 사용되는 경우에는 도포성 또는 내수성이 불량해 질 수 있고, 상기 중량비 보다 과량으로 사용되는 경우에는 조성물의 코팅 후 부착강도가 감소하여 의도하는 결로방지 특성을 충족시키기 어려울 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 단열 코팅 조성물에서, 상기 무기질 안료는 코팅 후 건조된 막의 내충격 강도를 향상시키는 역할을 하며, 돌로마이트, 마그네슘 카보네이트, 이산화티탄 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 단열 코팅 조성물에서, 상기 고분자 수지는 에어로겔의 약한 취성을 보완하여 강도를 향상시키고 코팅 조성물의 기재와의 밀착성을 확보하기 위해 사용되는 성분으로서, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 에틸렌-비닐 아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 공중합체, 셀룰로오스(cellulose), 실리콘(silicone), 아크릴레이트(acrylate) 수지, 우레탄(urethane) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimide) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 단열 코팅 조성물에서, 상기 분산매는 물, 에틸린 글리콜 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 이들 분산매는 조성물 전체 중량에 대해 45.0 내지 60.0의 중량%로 사용될 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 단열 코팅 조성물은 고형분 함량이 25% 내지 50%의 페이스트(paste) 형태일 수 있다. 이러한 페이스트 형태의 조성물은 코팅시 사용자의 취급이 용이하여 작업성 면에서 유리하다.
상기한 바와 같은 성분들을 포함하는 본 발명의 단열 코팅 조성물은 VOC, RoHS, 할로겐 물질과 같은 유해 물질의 방출 없이, 단열 성능과 함께 우수한 내수성을 부여할 수 있어 수분에 의한 단열 성능 저하를 방지하면서 열손실을 최소화하여 탁월한 방로특성을 구현할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 단열 코팅 조성물은 시멘트, 콘크리트, 몰탈 등에 0.5 내지 3 m 2/L의 두께로 코팅한 후 25℃에서 24시간 동안 건조하여 0.5 내지 3 mm의 두께의 코팅막을 수득할 수 있으며, 상기 코팅막은 ASTM E1461에 의해 측정한 열전도율이 0.03 내지 0.06 W/m·K의 범위로 우수한 단열 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 코팅막은 온도 30℃ 및 습도 75%의 항온/항습기를 사용한 인공결로 발생 평가시험에서 9℃의 냉매 온도를 적용했을 때 내수성이 우수하여 결로가 발생하지 않은 방로특성을 향상시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 단열 코팅 조성물은 상온, 저온 및 고온에서 단열 성능이 우수한 친환경적 단열재로 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 단열 코팅 조성물을 포함하는 단열재를 제공하며, 상기 단열재는 다양한 산업 분야에서 우수한 단열 성능 및 내수성이 우수하여 방로특성을 향상시키는 기능성 부재로서 사용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 구체적인 실시예로 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1:
실리카 에어로겔 입자 100 중량부에 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르(polyoxyethylene lauryl ether) 5중량부를 표면처리하여 얻은 표면처리된 에어로겔 5중량%, 실리카 충진제(K15, 3M) 20중량%, 무기질 안료로서 돌로마이트(SDP-400, 에스와이소재) 6중량%, 고분자 수지로서 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA) 14.4중량% 및 분산매로서 물 54.6중량%를 믹싱 헤드(mixing head)에 넣고 2,000rpm의 속도로 20분 동안 교반하여 고형분 함량이 45.4%인 페이스트 상태의 단열 코팅 조성물을 제조하였다.
제조된 단열 코팅 조성물은 ASTM E1461에 의해 측정한 열전도율이 0.042W/m·K 이었으며, 밀도는 0.40g/ml, 및 TVOC(total volatile organic compound)는 0.046mg/m 2h로 측정되었다.
실험예 1: 단열 성능 평가
실시예 1에서 제조한 단열 코팅 조성물을 밀폐된 아크릴 박스의 면 위에 도포한 후 25℃에서 24시간 건조하여 3mm 두께의 코팅막을 수득하였다.
이후, 상기 실시예 1의 단열 코팅 조성물이 도포된 아크릴 박스 및 미도포 아크릴 박스를 각각 항온 챔버에 넣고 고온(50℃) 및 저온(-10℃)에 노출하여 내부의 온도 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 1 및 2에 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단열 코팅 조성물을 도포한 경우와 도포하지 않은 경우 50℃의 고온 환경에서의 단열 성능을 비교한 것이다.
도 1로부터, 비교군인 미도포 박스는 외부 온도(50℃)에 대한 내부 온도의 차이가 1.9℃에 불과한 반면, 실시예 1의 단열 코팅 조성물이 도포된 도포 박스는 10.2℃의 온도 차이를 나타내고 있어 고온의 외부 온도로부터 내부 온도를 낮게 유지함으로써 단열 효과가 우수함을 알 수 있다.
도는 2는 실시예 1에 따른 단열 코팅 조성물을 도포한 경우와 도포하지 않은 경우 -10℃의 저온 환경에서의 단열 성능을 비교한 것이다.
도 2로부터, 비교군인 미도포 박스는 외부 온도(-10℃)에 대한 내부 온도의 차이가 0.7℃에 불과한 반면, 실시예 1의 단열 코팅 조성물이 도포된 도포 박스는 13.1℃의 온도 차이를 나타내고 있어 저온의 외부 온도로부터 내부 온도를 높게 유지함으로써 보온 효과가 우수함을 알 수 있다.
실험예 2: 결로 방지 성능 평가
실시예 1에서 제조한 단열 코팅 조성물과 시판중인 타사 제품을 아크릴 판 위에 3mm의 동일한 두께로 도포하여 25℃에서 24시간 건조한 후, 온도 30℃ 및 습도 75%의 항온/항습기에 넣고 9℃의 냉매 온도를 적용하여 인공결로 발생 여부를 평가하였다. 이때, 블랭크(blank) 표면 온도는 18.2℃로 하였다. 그 결과를 표 1 내지 2 및 도 3 내지 4에 나타내었다.
Figure PCTKR2021003535-appb-img-000003
Figure PCTKR2021003535-appb-img-000004
표 1 및 도 3은 실시예 1에 따른 단열 코팅 조성물 및 시판중인 타사 제품을 동일한 두께로 적용했을 때 내수성(내습성)에 따른 인공 결로 발생 정도를 비교하여 나타낸 것으로, 실시예 1의 단열 조성물이 적용된 #4의 경우가 물방울이 맺히는 정도가 가장 적음을 확인할 수 있다.
표 2 및 도 4는 실시예 1에 따른 단열 코팅 조성물 및 시판중인 타사 제품을 동일한 두께로 적용했을 때 결로 발생시 각 코팅층의 표면 온도를 내부 온도(chamber)와 비교하여 나타낸 것으로, 실시예 1의 단열 코팅 조성물이 표면에 대비 내부 온도를 높게 유지하여 단열 성능이 우수함을 알 수 있다.
실험예 3: 내수성에 따른 밀착 내구성 평가
실시예 1에서 제조한 단열 코팅 조성물과 시판중인 타사 제품을 아크릴 판 위에 3mm의 동일한 두께로 도포하여 25℃에서 24시간 건조한 후 박리하여, 120분 동안 수중에 침적한 상태에서 형태 변화를 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5로부터, C사 제품(#3)는 수중 침적 후 10분 경과 후부터 코팅막의 형태가 변하기 시작하여 불량한 내수성을 나타낸 반면, 실시예 1에 따른 단열 코팅 조성물의 코팅막(#4)과 B사 제품(#2)는 120분 내내 수중 침적 조건하에서 내수성이 양호하여 우수하여 형태가 변하지 않는 내구성을 나타내었다.
한편, 실시예 1에 따른 단열 코팅 조성물의 코팅막(#4)은 120분의 수중 침적 과정에서 양호한 부착성을 유지하고 있는 반면, B사 제품(#2)는 부착성이 점점 감소하는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 하기 화학식 1의 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르(PEO)로 표면처리된 에어로겔, 실리카 충진제, 무기질 안료, 고분자 수지 및 분산매를 포함하고,
    상기 실리카 충진제는 소다, 라임 및 보로실리케이트를 포함하는 글라스 버블 형태이며,
    상기 표면처리된 에어로겔 및 실리카 충진제의 중량비는 1:4 내지 1:15인 단열 코팅 조성물:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2021003535-appb-img-000005
    상기 식에서, m+n 은 9 내지 20 이고, x는 1 내지 25이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 전체 중량을 기준으로 상기 표면처리된 에어로겔은 0.1 내지 10.0 중량%, 실리카 충진제는 15.0 내지 20 중량%, 무기질 안료는 5.0 내지 10.0 중량%, 고분자 수지는 10.0 내지 20.0 중량%, 및 분산매 45.0 내지 60.0 중량%를 포함하는 단열 코팅 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 고형분 함량이 25% 내지 50%의 페이스트(paste) 형태인 단열 코팅 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르는 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르(polyoxyethylene lauryl ether), 폴리옥시에틸렌 세틸 에테르(polyoxyethylene cetyl ether), 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르(polyoxyethylene oleyl ether) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 단열 코팅 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에어로겔은 소수성 실리카 에어로겔을 포함하는 단열 코팅 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르는 에어로겔 100 중량부 기준으로 0.7 내지 5 중량부로 사용된 것인 단열 코팅 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 무기질 안료는 돌로마이트, 마그네슘 카보네이트, 이산화티탄 또는 이들의 혼합물을 포함하는 단열 코팅 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 에틸렌-비닐 아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 공중합체, 셀룰로오스(cellulose), 실리콘(silicone), 아크릴레이트(acrylate) 수지, 우레탄(urethane) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimide) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 단열 코팅 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 분산매는 물, 에틸렌 글리콜 또는 이들의 혼합물을 포함하는 단열 코팅 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 열전도율이 0.03 내지 0.06 W/m·K인 단열 코팅 조성물.
  11. 제1항의 단열 코팅 조성물을 포함하는 단열재.
  12. 제11항에서, 온도 30℃ 및 습도 75%의 항온/항습기를 사용한 인공결로 발생 평가시험에서 9℃의 냉매 온도를 적용했을 때 결로가 발생하지 않은 단열재.
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