WO2023195616A1 - 단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물 - Google Patents

단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물 Download PDF

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WO2023195616A1
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fire
hollow ceramic
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최장식
백성빈
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(주)이유씨엔씨
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Definitions

  • the present invention relates to a water-based paint composition for exterior use, which includes a non-porous silicone polymer, hollow ceramic particles, a rust-prevention acrylic emulsion, and a micro fire extinguishing capsule for early fire extinguishing, and is capable of suppressing a fire at an early stage while having excellent step insulation properties.
  • Sunlight is a type of electromagnetic wave that is absorbed by the surface of the object to be coated and causes vibration of molecules to generate heat energy. As a result, the temperature of the surface of the object increases, which in turn causes the temperature inside the object to rise. Therefore, it is necessary to block the movement of heat energy caused by infrared rays, which are absorbed without being reflected or reflected by the object in advance, into the object.
  • the adhesion of the paint for insulation or insulation to the object may be insufficient, so it may separate from the object, drastically reducing reliability and durability, and the undercoat or middle layer may be coated (painted) separately to ensure adhesion. This may cause the overall thickness of the coating layer to become thicker.
  • the types of base and middle layers are different for each object to be coated and the background treatment of the object to be coated is difficult, the overall construction cost and time increases, reducing economic feasibility, and specialized workers and specialized equipment may be required.
  • Republic of Korea Patent No. 10-1561567 describes a heat-insulating paint composition containing ultrafine silica particles, rutile titanium dioxide, calcium carbonate, a resin binder, and water, but the thermal insulation performance may be low and the adhesion may be poor. There may be a problem.
  • the object of the present invention is to provide a paint composition that is applied to the exterior of a building, which reduces the energy of the cooling load by blocking solar radiant heat indoors in the summer and blocks indoor heating convection heat from leaking to the outside in the winter.
  • the purpose is to reduce heating energy by blocking cold outside temperatures from entering the room.
  • one embodiment of the present invention is a rust-prevention acrylic emulsion; Light-shielding fluorine acrylic copolymer emulsion; Non-porous silicone polymer particles; hollow ceramic particles; and microcapsules for extinguishing an initial fire, wherein the content of the microcapsules for extinguishing an initial fire is adjusted to 5 to 15% by weight based on the total composition.
  • the content of the rust-preventing acrylic emulsion is 30 to 40% by weight, based on the total weight of the water-based paint composition, and the light-shielding fluorine is present.
  • the content of the acrylic copolymer emulsion may be 2 to 10% by weight, the content of the non-hollow silicone polymer particles may be 10 to 15% by weight, and the content of the hollow ceramic particles may be 3 to 10% by weight.
  • the hollow ceramic particles included in the external water-based paint composition for step heat insulation and initial fire extinguishing may be composed of sodium borosilicate.
  • the microcapsules for extinguishing initial fire included in the external water-based paint composition for extinguishing step heat and initial fire may have a core-shell structure.
  • the core portion of the microcapsule is composed of perfluoro 2-methyl-3-pentanone and 1,1,2,2,3,3, It may contain 4-heptafluoro cyclopentane (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane).
  • the perfluoro 2-methyl-3-pentanone and 1,1,2,2, contained in the core portion of the microcapsule The content ratio of 3,3,4-heptafluoro cyclopentane (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane) may be 1:3 to 3:1.
  • the shell portion of the microcapsule may include melamine-urea-formaldehyde resin.
  • the composition of the present invention includes a non-porous silicone polymer, hollow ceramic particles, a rust-prevention acrylic emulsion, and a micro fire extinguishing capsule for early fire extinguishing, and exhibits excellent step insulation performance in normal times, while extinguishing the fire at an early stage in the event of a fire. It has the effect of minimizing fire damage by preventing fire spread and re-combustion.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of an initial fire-extinguishing microcapsule external step barrier paint film formed while the water-based paint composition of the present invention is cured and dried.
  • Figure 2 is a diagram showing a cross-section of an initial fire extinguishing microcapsule included in the water-based paint composition of the present invention.
  • Figure 3 is a photograph showing the state over time when the cured product obtained by drying and curing the water-based paint composition of the present invention is ignited and extinguished by finely pulverized particles.
  • Figure 4 is a diagram showing the DSC curve of the N-H microcapsule and the microcapsule change (SEM image) according to temperature change.
  • the water-based paint composition of the present invention includes a light-shielding fluorine acrylic copolymer emulsion, a non-porous silicone polymer, hollow ceramic particles, a rust-preventing acrylic emulsion, and a micro fire extinguishing capsule for initial fire extinguishing.
  • the light-shielding fluorinated acrylic copolymer emulsion can perform the function of improving the light-shielding properties, weather resistance, contamination resistance, heat resistance, and flame retardancy of the step-shielding layer when the step-shielding composition is cured to form a step-shielding layer.
  • Light-shielding fluorine-acrylic copolymer emulsion is formed by polymerizing fluorine-based polymer and acrylic resin and then dispersing them in water.
  • the weight ratio of the fluorine-based polymer to the acrylic resin may be 3:7 to 7:3, preferably 5:7 to 7:5. If the weight ratio of the fluorine-based polymer is less than 3, contamination resistance and heat resistance may be reduced, and if the weight ratio of the acrylic resin is less than 3, when the composition is cured and a step heat barrier is formed, the adhesion and adhesion of the step heat layer to the object to be coated may be reduced. there is.
  • the fluorine-based polymer may include one or more of vinylidene fluoride, vinyl fluoride, trifluoroethylene, cyclotrifluoroethylene (CTFE), tetrafluoroethylene (TFE), or hexafluoropropylene (HFP). .
  • the minimum film formation temperature (MFFT) of the light-shielding fluorine acrylic copolymer emulsion may be about 12° C. or less, and through this, the step heat barrier composition can be easily cured even at a relatively low temperature to form a step heat barrier layer.
  • the content of non-volatile material (NVM) in the light-shielding fluorine-acrylic copolymer emulsion can be adjusted through the amount of organic solvent, and is preferably 35 to 55% by weight based on the light-shielding fluorine-acrylic copolymer emulsion. , If the non-volatile material (NVM) content is less than 35% by weight, the step heat barrier cannot be sufficiently formed, and light blocking, weather resistance, contamination resistance, heat resistance, and flame retardancy may be reduced. If it exceeds 55% by weight, the non-volatile material (NVM) content may not be sufficiently formed. , the storage stability, workability, and mass productivity of the water-based paint composition may be reduced.
  • the pH of the light-shielding fluorine-acrylic copolymer emulsion can be adjusted in the range of 7 to 10. If the pH is less than 7, aggregation or phase separation of the fluorine-based polymer contained in the light-shielding fluorine-acrylic copolymer emulsion occurs, leading to a decrease in storage stability. may occur, and if it exceeds 10, gelling problems may occur.
  • the viscosity of the light-shielding fluorine acrylic copolymer emulsion can be measured using a Brookfield viscometer equipped with a UL adapter and can be 80 to 120 Pa ⁇ s. If it is less than 80 Pa ⁇ s, the coating film becomes thin and rises. There may be problems with workability, and if it exceeds 120 Pa ⁇ s, the coating film may become thick and drying problems may occur.
  • VOCs volatile organic compounds
  • the light-shielding fluorine acrylic copolymer emulsion is preferably included in an amount of 3 to 7% by weight based on the weight of the total step insulation composition.
  • the near-infrared reflectivity, weather resistance, durability, heat resistance, contamination resistance, and flame retardancy of the step insulation layer can be further improved.
  • the rust-inhibiting acrylic emulsion of the present invention can function as a binder in a step-insulation composition, and can be formed by polymerizing the rust preventive agent and the acrylic resin and then dispersing it in water.
  • the rust preventive agent is not particularly limited, but includes amine compounds, benzotriazole-based compounds, nitrites, ammonium benzoate, ammonium phthalate, ammonium stearate, ammonium palmitate, ammonium oleate, ammonium carbonate, dicyclohexylamine benzoate, urea, It may be one or more of urotropine, thiourea, phenyl carbamate, and cyclohexylammonium-N-cyclohexylcarbamate (CHC).
  • amine compounds benzotriazole-based compounds, nitrites, ammonium benzoate, ammonium phthalate, ammonium stearate, ammonium palmitate, ammonium oleate, ammonium carbonate, dicyclohexylamine benzoate, urea
  • It may be one or more of urotropine, thiourea, phenyl carbamate, and cyclo
  • the content of non-volatile material (NVM) in the rust-preventing acrylic emulsion can be adjusted through the amount of organic solvent, and is preferably 40 to 50% by weight based on the light-shielding fluorinated acrylic copolymer emulsion. If the content of (Non-Volatile Material, NVM) is less than 40% by weight, the weather resistance, durability, corrosion resistance, and heat resistance of the formed heat barrier layer may be reduced, and if it exceeds 50% by weight, the workability and mass production of the water-based paint composition may be reduced. Performance may decrease.
  • the glass transition temperature (T g ) of the rust-preventive acrylic emulsion may be 20 to 50 °C. If it is less than 20 °C, there may be a problem of cracking the coating film, and if it exceeds 50 °C, there may be a problem of delayed drying of the coating film. You can.
  • the minimum film formation temperature (MFFT) of the rust-prevention acrylic emulsion may be 10 to 40 °C. If the temperature is less than 10 °C, there may be a problem in which the rust-prevention film is not sufficiently formed in the step heat barrier layer. If it is exceeded, storage stability may deteriorate due to agglomeration of the rust preventive agent.
  • the pH of the rust-preventive acrylic emulsion can be adjusted in the range of 8 to 10. If the pH is less than 8, agglomeration or phase separation of the rust preventive agent contained in the rust-preventive acrylic emulsion may occur, leading to a decrease in storage stability. If it is exceeded, gelling problems may occur.
  • the rust-prevention acrylic emulsion may be one or more of BASF's Joncryl PRO 1522, Joncryl Pro 1525, and Acronal Pro 761.
  • the above rust-prevention acrylic emulsion can perform the function of improving weather resistance, durability, corrosion resistance, and heat resistance when the step heat barrier composition of the present invention is cured to form a step heat barrier layer.
  • the organic bonding force of the different series is different during the curing process when forming the step heat layer (coat film, coating layer). It can be about 20% stronger than the binder, and because of this, the adhesion of the step heat layer can be significantly improved without a base or middle layer, and excellent adhesion can be achieved even on materials such as metals and non-ferrous metals.
  • micro-calcined silica, micro-calcined alumina, and micro zinc phosphate when used simultaneously with a rust-preventing acrylic emulsion, provide an excellent level of protection through the strong organic bonding energy between each component during the curing process when forming a step heat layer (coat film). Adhesion and adhesion can be achieved, and durability, weather resistance, rust prevention, and self-cleaning properties can also be greatly improved.
  • the step heat barrier layer formed by curing the step heat barrier composition can exhibit a very excellent level of adhesion and adhesion regardless of the material of the object to be coated. As a result, a separate undercoat or middle layer is unnecessary, and a single step heat barrier layer is sufficient. Sufficient step insulation performance can be achieved, and sufficient step insulation effect can be achieved even with a very thin thickness.
  • the thickness of the step insulation layer of the present invention can be configured to be 300 ⁇ m or less, and even with this ultra-thin coating film (step insulation layer), it has superior thermal insulation and thermal insulation effects than conventional step insulation layers. It can be confirmed that .
  • the weight of the step insulation composition to be painted per unit area can be greatly reduced, thereby shortening the painting time and reducing costs.
  • micro-fired silica, micro-fired alumina, and micro zinc phosphate combine with the acrylic binder, resulting in a synergy effect in which the organic bonding force becomes about 20% stronger than that of other types (series) of binders. ) occurs, so the above-mentioned adhesion, adhesion, durability, weather resistance, rust prevention, and self-cleaning properties can be significantly improved.
  • Micro-calcined silica, micro-calcined alumina, and micro zinc phosphate can be manufactured by irradiating microwaves to generate heat using a typical calcination furnace using microwaves.
  • Micro-calcined silica, micro-calcined alumina, and micro zinc phosphate have a low coefficient of thermal expansion and low thermal shock, so they can suppress the deterioration and expansion and contraction of the thermal barrier layer, while also exhibiting excellent rust prevention performance.
  • a preferred firing temperature may be approximately 700 to 1500 °C, and more preferably approximately 800 to 1200 °C.
  • micro-calcined silica may be about 2 to 6% by weight
  • micro-calcined alumina may be about 2 to 6% by weight
  • micro zinc phosphate may be included about 3 to 7% by weight.
  • Non-porous silicone polymer particles mainly improve light-shielding and heat-insulating properties.
  • the non-porous type is a type in which there is no hollow inside the particle, and the non-porous silicone polymer particle can reflect near-infrared rays and block heat from entering from the outside, thereby implementing the heat shielding function of the step heat barrier layer.
  • the non-porous silicone polymer particles may include a hydrophobic silicone polymer and may be in the form of microspheres.
  • the average particle diameter of the non-porous silicone polymer particles may be 1 to 5 ⁇ m. If the average particle diameter of the non-porous silicone polymer particles is less than 1 ⁇ m, the near-infrared reflection efficiency is lowered and sufficient heat insulation cannot be secured, and if it exceeds 5 ⁇ m, the specific surface area may be small, and the near-infrared reflection efficiency may be lowered. .
  • the average particle diameter of the non-porous silicone polymer particles can be more preferably adjusted to 1-2 ⁇ m.
  • Non-porous silicone polymer particles can reduce the generation of radiant heat by reflecting near-infrared rays arriving from the outside.
  • the thermal conductivity of the non-porous silicone polymer particles may be about 0.15 W/m ⁇ K or less, and within this range, the movement of radiant heat reaching the step insulation layer can be appropriately limited to improve insulation.
  • the softening point of the non-porous silicone polymer particles may be approximately 1000°C or higher and may be approximately 1200°C or lower. If the softening point of the non-porous silicone polymer particles is less than about 1000 °C, the strength of the non-porous silicone polymer particles may weaken and be damaged or destroyed when the step insulation layer is exposed to a high temperature and high humidity environment, which may result in a decrease in heat insulation properties. . If the softening point of the non-porous silicone polymer particles becomes greater than about 1200° C., the hardness of the particles may weaken.
  • the sphericity of the non-porous silicon polymer particles may be about 0.8 or more, and as a result, the non-porous silicon polymer particles can reflect heat without absorbing much of it, and can reduce heat transfer inside the step heat layer.
  • the non-porous silicone polymer particles may be relatively placed on top of the step barrier layer due to the difference in specific gravity. More specifically, when the step insulation layer includes a first surface that is in contact with the object to be coated, and a second surface (a surface exposed to the outside) that is the opposite side of the first surface, in a cross section cut in the thickness direction of the step insulation layer, The number of non-porous silicone polymer particles may increase as you go from the first side to the second side.
  • the hollow ceramic particles of the present invention mainly serve to improve thermal insulation properties. Since hollow ceramic particles contain a hollow interior, the heat transfer rate can be minimized by scattering and reflecting near-infrared rays (heat) introduced from the outside, and this can greatly improve the thermal insulation of the step insulation layer.
  • heat near-infrared rays
  • the hollow ceramic particles may have a microsphere shape and may be composed of sodium borosilicate. When using sodium borosilicate, it can provide excellent compressive strength and is suitable for use as a building paint material.
  • the average particle diameter (D2) of the hollow ceramic particles may be about 1 to 20 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the hollow ceramic particles is less than about 1 ⁇ m, the hollow ceramic particles are exposed to the second side of the object (the first side where the step heat layer is in contact with the object, and the second side opposite to the first side (exposed to the outside) If it includes the second surface), it floats toward the surface (concentrated in the area close to the second surface), so there is a risk that the heat shielding performance may deteriorate due to insufficient scattering and reflection of near-infrared rays by the non-porous body.
  • the average particle diameter of the hollow ceramic particles is greater than about 20 ⁇ m, the specific surface area of the hollow ceramic particles becomes small, which reduces the performance of blocking the movement of radiant heat, which may deteriorate the thermal insulation performance.
  • the sphericity of the non-porous silicone polymer particles may be about 0.8 or more, and as a result, near-infrared rays, which are converted into radiant heat, may be almost scattered and reflected before penetrating into the step heat barrier layer (coat film), which will greatly improve heat shield performance. You can.
  • the average particle diameter of the non-porous silicone polymer and the average particle diameter of the hollow ceramic particles are 2:1 to 1:20.
  • the non-porous silicone polymer particles and hollow ceramic particles can be arranged in an optimal shape, and as a result, heat shielding performance and insulation performance can be optimized while maintaining a balance.
  • the step thermal layer can simultaneously achieve a solar reflectance of about 95% or more and a thermal conductivity of less than 0.03 W/m ⁇ K.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of an initial fire-extinguishing microcapsule external step barrier paint film formed while the water-based paint composition of the present invention is cured and dried.
  • Figure 1a shows an N-H micro fire extinguishing capsule (10) for initial fire extinguishing, non-porous ceramic particles (20), hollow ceramic particles (30), and an inorganic filler (40) containing fired micro alumina, fired micro silica, and micro zinc phosphate. This shows the state before the composition containing the composition is applied to the object 50 and cured and dried.
  • Figure 1b shows a microcapsule layer for initial fire extinguishing (10a), a non-porous ceramic particle layer with heat insulation performance (20a), a hollow ceramic particle layer with heat insulation performance (30a), and the inorganic filler formed sequentially by the above particles. It shows the undercoating layer (40a) included.
  • the initial fire extinguishing microcapsule layer (10a) is placed at the top of the coating film, and below it, a non-porous ceramic particle layer (20a) with heat insulation performance, and a hollow ceramic particle layer with heat insulation performance ( 30a), an undercoat layer 40a containing the inorganic filler may be arranged.
  • the initial extinguishing microcapsule layer (10a) can be located at the top of the coating film.
  • the microcapsules quickly self-sensitize to temperature and vaporize in the event of a fire.
  • the composition is sprayed directly onto the flame, effectively responding to the initial fire.
  • the hollow ceramic particles can be relatively disposed at the lower part of the heat barrier layer due to the difference in specific gravity. More specifically, when the step heat barrier layer includes a first side that is in contact with the object to be coated, and a second side that is opposite to the first side (the side exposed to the outside or the bottom side of the microcapsule layer), the step heat barrier layer is cut in the thickness direction. In one cross-section, the number of hollow ceramic particles may decrease as it moves from the first side to the second side.
  • non-porous silicone polymer particles are disposed on the upper part (relatively close to the second surface) of the step insulation layer, and most of the hollow ceramic particles are disposed on the lower part of the non-porous silicon polymer particles (relatively close to the first surface). Therefore, the transfer of radiant heat due to near-infrared rays that are not reflected or scattered by the non-porous silicon polymer particles among the near-infrared rays arriving from the outside to the object can be very effectively suppressed, and the insulation performance of the step insulation layer can be maximized.
  • a microcapsule layer (10a) for initial extinguishing may be formed at the top of the paint film, which means that more than 70% of the microcapsules contained in the water-based paint composition of the present invention are located at the top of the paint film. This may mean that the microcapsule layer 10a for initial fire extinguishing has been formed. As described above, a large amount of microcapsules are located at the top of the coating film, thereby effectively suppressing the initial fire when a fire occurs.
  • the water-based paint composition of the present invention can form a non-porous ceramic particle layer (20a) with heat shielding performance at the lower part of the microcapsule layer (10a) while curing, which is the result of the non-porous ceramic particles included in the water-based paint composition of the present invention. More than 70% is located in the lower part of the microcapsule layer 10a, which may mean that the non-porous ceramic particle layer 20a with heat shielding performance has been formed. As described above, a large amount of the non-porous ceramic particles is in the microcapsule layer 10a. ), it can achieve a solar reflectance of about 95% or more while exhibiting the function of suppressing an initial fire.
  • the water-based paint composition of the present invention can form a hollow ceramic particle layer (30a) with insulating properties at the bottom of the non-porous ceramic particle layer (20a) while curing, which is the hollow ceramic particle contained in the water-based paint composition of the present invention. More than 70% of the particles are located at the bottom of the non-porous ceramic particle layer 20a, which may mean that the hollow ceramic particle layer 30a with heat shielding performance has been formed. As described above, a large amount of the hollow ceramic particles is located in the lower part of the non-porous ceramic particle layer 20a. By being located at the lower part of the particle layer 20a, it is possible to achieve a thermal conductivity of 0.03 W/m ⁇ K or less while exhibiting the function of suppressing an initial fire.
  • the content of microcapsules for fire extinguishing and the content of hollow and non-hollow particles for step heat are appropriately adjusted, and after curing and drying, the coating film forms a layer as described above, while having a new effect of suppressing the initial fire. It is possible to provide a composition that maintains excellent step insulation performance.
  • the content of the non-porous silicone polymer particles and the hollow ceramic particles is preferably adjusted to 0.6:1 to 1:0.6.
  • the thermal insulation performance and thermal insulation performance of the step insulation layer can be optimized while maintaining a balance, and the step insulation layer can simultaneously achieve a solar reflectance of about 95% or more and a thermal conductivity of less than 0.03 W/m ⁇ K. .
  • the step insulation composition according to the embodiment includes both non-porous silicone polymer particles and hollow ceramic particles.
  • the sole use of hollow ceramic particles was known to be the optimal form for realizing thermal insulation and thermal insulation properties.
  • the insulation performance and heat shielding performance are lower than those of the non-porous silicone polymer particles. It can be significantly superior to the insulation performance and heat-shielding performance when only it is included.
  • the drying time touch drying time and solidification drying time
  • the painting interval time can be significantly shortened by about 10 minutes or more. there is.
  • rust-prevention acrylic emulsion Based on the total weight of the step insulation composition, about 30-40% by weight of rust-prevention acrylic emulsion, about 2-10% by weight of light-shielding fluorinated acrylic copolymer emulsion, about 10-15% by weight of non-porous silicone polymer particles, and about 10-15% by weight of hollow ceramic. Particles may be about 3-10% by weight. Within this numerical range, rust prevention and cleaning resistance can be improved more significantly, and heat insulation performance can also be improved.
  • the hollow ceramic particles may be relatively disposed at the lower part of the heat insulation layer due to the difference in specific gravity. More specifically, when the heat insulating layer includes a first side that is in contact with the object to be coated, and a second side that is the opposite side of the first side (the side exposed to the outside), in a cross section cut in the thickness direction of the heat insulating layer, on the first side
  • the number of hollow ceramic particles may decrease toward the second surface. As shown above, since most of the hollow ceramic particles are disposed at the bottom (relatively close to the first surface), it is possible to very effectively suppress the transfer of radiant heat caused by near-infrared rays arriving from the outside to the object, and the insulation performance of the insulation layer is improved. can be maximized.
  • the insulation composition of the present invention may further include a fluoro stain resistant additive.
  • the fluorine-based stain prevention agent can impart water and oil repellency to the step insulation layer, thereby improving stain resistance, facilitating stain removal, and improving the durability of the step insulation layer.
  • the fluorine-based stain prevention agent may include one or more components among polyurethane containing a fluorine group, polyacrylic emulsion containing a fluorine group, and polyacrylic modified urethane emulsion containing a fluorine group.
  • the fluorine-based stain inhibitor may be included in an amount of about 1 to 3% by weight. When included in the above weight range, the water and oil repellency of the coating film is improved, and there is an advantage in that it is possible to easily remove stains from the coating film.
  • composition of the present invention may include a zirco-aluminate coupling agent.
  • the zirco-aluminate coupling agent can improve adhesion and adhesion to metals or alloys. Therefore, when the step heat barrier composition is coated on the surface of the metal/alloy coating material, the adhesion and adhesion between the step heat barrier layer and the surface of the coated material can be greatly improved, and separate layers such as undercoat layer, middle coat layer, and primer layer are not necessary, making it a single layer. It can be implemented as a layer of, and a very thin film thickness can be implemented.
  • the zirco-aluminate coupling agent may be included in an amount of about 0.3 to 0.7% by weight.
  • the step barrier composition further includes one or more of propylene glycol, a thickener, a corrosion inhibitor, a pH adjuster, a film forming agent, a preservative, or an antifoaming agent.
  • Propylene glycol can function as a cryostabilizer. Based on the total weight of the step insulation composition, propylene glycol may be included in an amount of about 0.1 to 0.5% by weight.
  • a thickener can improve the storage stability of particles, such as controlling the viscosity of the composition, providing thickening and thixotropic properties, preventing particles from settling, improving redispersibility, and improving flowability.
  • the thickener may be, for example, but is not limited to hydroxyethyl cellulose. Based on the total weight of the step insulation composition, the thickener may be included in an amount of about 0.1 to 0.5% by weight.
  • the corrosion inhibitor can minimize corrosion even in a high temperature and humid environment, and may be included in about 0.8 to 1.2% by weight based on the total weight of the step insulation composition.
  • the pH adjuster may be used to adjust the acidity of the composition within a certain range, and may be, for example, aminomethylpropanol (amp), but is not limited thereto. Based on the total weight of the step insulation composition, the pH adjuster may be included in an amount of about 0.3 to 0.7% by weight.
  • the film forming agent may be, for example, but is not limited to texanol. Based on the total weight of the step insulation composition, the film former may be included in an amount of about 1 to 3% by weight.
  • the preservative may be, for example, but is not limited to n-alkyl dimethyl benzyl ammonium. Based on the total weight of the heat barrier composition, the preservative may be included in an amount of about 0.1 to 0.5% by weight.
  • the step-barrier composition includes water (H 2 O), and water can be used to adjust viscosity. Based on the total weight of the step insulation composition according to the embodiment, water may be about 14 to 18% by weight, and within this range, when the composition is applied to a metal or alloy surface, optimal adhesion and adhesion can be achieved. , the curing speed can be improved.
  • composition of the present invention may additionally include sodium orthosan silicate to improve fouling resistance.
  • sodium orthoic acid silicate may be about 0.8 to 1.2% by weight.
  • the insulation composition of the present invention may additionally include a fluorine-based surfactant.
  • the fluorine-based surfactant may contain a perfluoroalkyl group and may be included in 0.1 to 0.5% by weight based on the total weight of the composition. By including it within the above weight% range, it lowers the surface tension of the coating film to prevent contamination and improve cleanliness. Quality can be improved and excellent smoothness of the coating film can be provided.
  • Figure 2 is a diagram showing a cross-section of an initial fire extinguishing microcapsule included in the water-based paint composition of the present invention.
  • the water-based paint composition of the present invention may include fire extinguishing microcapsules for initial fire extinguishment, and the fire extinguishing microcapsules may be configured in a form including a core-shell structure, as shown in FIG. 2.
  • the microcapsule of the present invention consisting of a core-shell structure
  • it is used to initially extinguish a fire by discharging the fire extinguishing composition, which is a material within the microcapsule, to the outside.
  • the fire extinguishing composition may vaporize and expand due to heat, but does not react (rupture or leak) due to the durability and airtightness of the shell portion, and then bursts and vaporizes by self-sensitizing to a temperature of 120 to 220 ° C in the event of a fire.
  • the fire extinguishing composition is sprayed directly on the flame and can extinguish the fire by breaking the chain reaction among the four conditions of combustion: fuel (combustibles), oxygen (air), heat (ignition source), and chain reaction.
  • re-burning can be suppressed by cooling from 800°C to 30°C within 15 seconds.
  • the microcapsule according to this embodiment includes a micro-sized shell portion with a closed space formed therein, and a fire extinguishing composition on the core portion located inside the shell portion.
  • the shell portion is preferably made of a non-porous high molecular weight polymer in order to function in response to temperature.
  • a non-porous high molecular weight polymer for example, polyurethane resin, polyurea resin, polyamide resin, polyester resin, polycarbonate resin, aminoaldehyde resin, melamine resin, polystyrene resin, styrene-acrylate copolymer resin, styrene-methacrylate copolymer resin.
  • gelatin polyvinyl alcohol, phenol formaldehyde resin, and resorcinol formaldehyde resin.
  • the shell portion may be configured to include melamine-urea-formaldehyde resin, which has a sensitive temperature response, and has a temperature range of 120 ⁇ 120.
  • Excellent fire extinguishing effect in the early stages of a fire can be achieved by sensitively self-sensing at a temperature in the 220°C range, destroying the shell and spraying extinguishing substances.
  • the shell portion forms the outer shape of the microcapsule.
  • the shell portion is formed in a spherical shape
  • the shell part may be formed in a tube shape, and the fire extinguishing composition may be built into the closed space inside the tube-shaped shell part.
  • the core portion present inside the shell portion may contain a fire extinguishing composition.
  • the fire extinguishing composition of the present invention includes perfluoro 2-methyl-3-pentanone and 1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane ( 1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane).
  • the perfluoro 2-methyl-3-pentanone and 1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane (1,1,2, 2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane) has excellent storage stability inside the shell and can exhibit effective spraying efficiency when released outside the shell.
  • the perfluoro 2-methyl-3-pentanone and 1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane (1,1, 2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane) is preferably mixed in a ratio of 1:3 to 3:1.
  • the fire extinguishing ability and extinguishing substances in the core of the shell Problems may arise in the storage stability of perfluoro 2-methyl-3-pentanone if the ratio of perfluoro 2-methyl-3-pentanone to 1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane exceeds 3:1. A problem may arise in which the re-burning prevention effect of the fire extinguishing agent in the shell core is reduced.
  • the particle size of the extinguishing microcapsules of the present invention is preferably adjusted to 60-80 ⁇ m.
  • the particle diameter of the microcapsule is less than 60 ⁇ m, the particle diameter of the capsule becomes small, which may lead to difficulties in the process of applying it to a specific area on the surface of the object. Conversely, if it exceeds 80 ⁇ m, the surface area per unit weight becomes small and temperature changes occur. Problems may arise in which rapid response is not possible.
  • the content of the extinguishing microcapsules is preferably 5 to 15% by weight.
  • the physical properties such as weather resistance, durability, heat resistance, and contamination resistance, as well as the insulation effect of the insulation layer, can be optimally adjusted.
  • a problem may occur in which the initial fire extinguishing effect is insufficient.
  • painting workability deteriorates due to an increase in viscosity, the durability of the dry coating film deteriorates, and it may be inappropriate in terms of manufacturing costs.
  • a composition can be manufactured that has a new effect of suppressing an initial fire while maintaining excellent step heat barrier performance.
  • the content of the extinguishing microcapsules the total content of the non-porous silicone polymer particles and hollow ceramic particles can be adjusted to 1:1 to 1:3, where the content of the non-porous silicone polymer particles and hollow ceramic particles compared to the content of the microcapsules If the ratio of the total particle content is less than 1, the amount of microcapsules located on the top of the dried coating film after curing becomes excessively large, and although the purpose of initial fire suppression may be sufficiently achieved, the problem of relatively poor step thermal insulation performance may occur.
  • the layer formed by the microcapsules at the top of the dry film becomes thinner and the ratio of non-porous and hollow ceramic particles mixed with the layer formed by the microcapsules increases, which may reduce the effectiveness of initial fire suppression. It can happen.
  • Figure 3 is an actual photograph showing the state over time when the cured product obtained by drying and curing the water-based paint composition of the present invention is ignited and extinguished by finely pulverized particles, where 3a is before ignition (0 seconds) and 3b is represents the state after 4 seconds, 3c after 8 seconds, and 3d after 15 seconds.
  • the particles are burned and ignited for up to 8 seconds after ignition, but after 8 seconds, they are gradually extinguished and tend to be completely extinguished after 15 seconds. This is because the shell of the microcapsule contained in the composition undergoes thermal runaway at 120-220°C when a fire occurs. When it reaches this temperature, it melts and bursts within 8 seconds and the fire extinguishing agent in the core is sprayed, and the fire extinguishing agent is cooled from 800°C to 30°C within 15 seconds to suppress re-combustion, so the tendency is the same as above. can be seen as visible.
  • FIG. 4 is a diagram showing the differential scanning calorimetry (DSC) curve of N-H microcapsules and the microcapsule change (SEM image) according to temperature change.
  • the microcapsules exist in a spherical shape, but at around 150°C, it responds to temperature and confirms that the shell part exists in a ruptured form, indicating that the extinguishing agent in the core can be sprayed in the 120 ⁇ 220°C response temperature range.
  • the following composition was stirred to prepare a step-heat composition with fire extinguishing function.
  • the N-H-micro digestive capsule of Example 1 is composed of a single shell-core structure, and the core portion is composed of perfluoro 2-methyl-3-pentanone and 1,1 ,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane) is contained in a 1:1 content, and the shell part is melamine-urea- It is composed to contain formaldehyde resin (Melamine-urea-formaldehyde resin).
  • a stepped heat composition was prepared by stirring a composition having the composition and ratio according to existing Korean Patent No. 10-2283891.
  • the specific composition and composition ratio are listed in Table 1 below.
  • a stepped heat composition was prepared by stirring a composition having the composition and ratio according to existing Korean Patent No. 10-2283877.
  • the specific composition and composition ratio are listed in Table 1 below.
  • a stepped heat composition was prepared by stirring a composition having the composition and ratio according to existing Korean Patent No. 10-2311501.
  • the specific composition and composition ratio are listed in Table 1 below.
  • Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were applied and dried on one surface of the object to be coated under the conditions shown in [Table 2] below to form a dry coating film.
  • KS F 3101 ordinary plywood with a thickness of 1.2 mm, a width of 200 mm, and a height of 250 mm was used.
  • One surface on which the dry coating film of Example 1 was formed was sealed by covering the open upper surface so that the burner flame was in contact with the surface, and then the following temperatures and times were measured while the burner flame was sealed.
  • the initial extinguishing self-sensing temperature is measured using a digital thermometer when the microcapsule reacts when the burner flame contacts the surface.
  • Initial extinguishing time The time from when the microcapsule reacts after ignition to when the flame disappears and the first smoke appears.
  • Example 1 Measurement items of Example 1 unit 1 time Episode 2 3rd time 4 times 5 times Initial fire extinguishing self-sensing temperature °C 150 145 165 155 155 Initial fire extinguishing time sec 8 7 9 8 8 Reburn suppression time sec 15 13 16 15 15
  • the dry coating film formed using the exterior water-based paint composition for step insulation and initial fire extinguishing of the present invention was confirmed to have excellent step heat barrier performance, showing a solar reflectance of more than 95% and a thermal conductivity of less than 0.03 W/m ⁇ K in normal times.
  • the shell of the microcapsule quickly reaches 120 ⁇ 220°C due to thermal runaway, detects this temperature, melts and bursts within 8 seconds, and the extinguishing agent in the core is sprayed, and the extinguishing agent is discharged to 800 degrees Celsius within 15 seconds. It was confirmed that re-burning was suppressed by cooling from °C to 30°C.
  • the prior art Comparative Examples 1 to 3 showed a solar reflectance of more than 95% and a thermal conductivity of less than 0.03 W/m ⁇ K, as in the present invention, the microcapsules were composed of a total of non-porous silicon polymer particles and hollow ceramic particles. Mixing at a certain ratio relative to the content cannot show the effect of quickly extinguishing an initial fire when it occurs.
  • the water-based paint composition of the present invention can form a dry coating film that exhibits a solar reflectance of about 95% or more and a thermal conductivity of 0.03 W/m ⁇ K or less, as well as excellent initial fire suppression performance.
  • Non-porous ceramic particle layer (heat-insulating layer)

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Abstract

본 발명은 방청성 아크릴 에멀젼; 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼; 무공형 실리콘 폴리머 입자; 중공형 세라믹 입자; 및 초기화재 소화용 마이크로 캡슐을 포함하여, 평시에는 우수한 단차열 성능을 발휘하면서도, 화재 발생 시에는 초기에 화재를 소화하여 화재확산과 재연소를 방지하여 화재의 피해를 극소화 시킬 수 있는 수성도료 조성물을 제공한다.

Description

단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물
본 발명은 무공형 실리콘 폴리머, 중공형 세라믹입자, 방청성 아크릴에멀젼 및 초기 화재진화용 마이크로 소화캡슐을 포함하여, 단차열 특성이 우수하면서도 화재 발생을 초기에 진압할 수 있는 외부용 수성도료 조성물에 관한 것이다.
현재까지 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 방지대책과 자원의 유한성으로 인한 에너지 절감대책이라는 목적을 동시에 해결하기 위한 방안을 수립하기 위한 다양한 프로젝트가 수립되고 있으며, 특히 열에너지의 적절한 제어에 의한 생활에너지의 감소와 쾌적하고 안락한 환경을 제공하기 위해 건물이나 차량 등에 대한 이러한 열에너지의 제어수단이 부여된 도막제나 열차단 필름이 많이 사용되고 있다.
태양광은 전자파의 일종으로 피도물의 표면에 흡수되어 분자의 진동을 유발해 열에너지를 발생시키며, 이에 따라 피도물의 표면의 온도가 상승하게 되고, 이는 곧 피도물 내부의 온도를 상승시키는 원인이 된다. 따라서, 피도물이 태양광선을 미리 반사하거나 반사되지 않고 흡수된 적외선에 의한 열에너지가 피도물 내부로 이동하는 것을 차단할 필요가 있다.
이러한 차열 또는 단열 효과를 통한 에너지 절감형 도료 제품이 시장에 출시되고는 있지만, 충분한 차열 또는 단열 효과가 발생하지 않고 있다.
또한, 차열 또는 단열을 위한 도료의 피도물에 대한 부착성이 충분하지 않아 피도물에서 분리되어 신뢰성과 내구성이 급격히 저하될 수 있고, 부착성 확보를 위해 하도층이나 중도층이 별도로 코팅(도장)될 수 있으며, 이로 인해 전체적인 코팅층의 두께가 두꺼워질 수 있다. 또한, 피도물 별로 하도층 및 중도층의 종류가 다르고, 피도물의 바탕처리가 까다롭기 때문에, 전체적인 시공 비용 및 시간이 증가하여 경제성이 떨어지고, 전문 작업자와 전문 설비가 필요할 수 있다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1561567호에는 초미립자 실리카 입자, 루타일 이산화티탄, 탄산칼슘, 수지 바인더 및 물을 포함하는 차열 도료 조성물에 대하여 기재되어 있지만, 단열 성능이 낮을 수 있고, 부착성에 문제가 있을 수 있다.
따라서, 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 단차열 조성물의 개발이 요구되었으며, 추가적으로, 일반적인 건축물에 화재 발생시, 초기에 진압하지 못할 경우에 걷잡을 수 없는 속도로 불이 번지게 되는 바, 초기에 화재 발생을 진압하여 화재 확산과 재연소 방지를 통해 화재의 피해를 극소화 시킬 수 있는 도료 조성물이 요구되었다.
본 발명의 목적은 건축물의 외부에 도장되는 도료 조성물을 제공하여, 하절기에는 실내로의 태양 복사열 차단을 통해 냉방 부하의 에너지를 절감시키며, 동절기에는 실내 난방 대류열이 외부로 유출되는 것을 차단하고, 외부의 찬 기온이 실내로 유입되는 것을 차단하여 난방부하의 에너지를 절감시키고자 함에 있다.
아울러, 화재 발생을 초기에 소화하여, 화재 확산 및 재연소 방지를 통해 화재의 피해를 극소화 시킬 수 있는 친환경 수성 도료 조성물을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태는 방청성 아크릴 에멀젼; 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼; 무공형 실리콘 폴리머 입자; 중공형 세라믹 입자; 및 초기화재 소화용 마이크로 캡슐을 포함하되, 전체 조성물 기준으로 상기 초기화재 소화용 마이크로 캡슐의 함량이 5~15 중량%로 조절되는 단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시 형태로서, 상기 단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물에서 상기 수성도료 조성물 전체 중량을 기준으로, 상기 방청성 아크릴 에멀젼의 함량은 30~40 중량%이고, 상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼의 함량은 2~10 중량%이며, 상기 무공형 실리콘 폴리머 입자 함량은 10~15 중량%이고, 상기 중공형 세라믹 입자의 함량은 3~10 중량% 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 형태로서, 상기 단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물에 포함되는 상기 중공형 세라믹 입자는 소듐 보로실리케이트(Sodium borosilicate)로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 형태로서, 상기 단차열 및 초기 화재 소화용 외부 수성도료 조성물에 포함되는 상기 초기화재 소화용 마이크로 캡슐은 코어-쉘 구조 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 형태로서, 상기 마이크로 캡슐의 코어부는 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 형태로서, 상기 마이크로 캡슐의 코어부에 포함되는 상기 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)의 함량 비율은 1:3~3:1 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 형태로서, 상기 마이크로 캡슐의 쉘부는 멜라민-요소-포름알데히드 수지 (Melamine-urea-formaldehyde resin)를 포함할 수 있다.
본 발명 조성물은 무공형 실리콘 폴리머, 중공형 세라믹입자, 방청성 아크릴에멀젼, 및 초기 화재진화용 마이크로 소화캡슐을 포함하여, 평시에는 우수한 단차열 성능을 발휘하면서도, 화재 발생 시에는 초기에 화재를 소화하여 화재확산과 재연소를 방지하여 화재의 피해를 극소화 시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수성도료 조성물이 경화 건조되면서 형성된 초기 화재진화용 마이크로 캡슐 외부용 단차열 도료 도막 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 수성도료 조성물에 포함되는 초기 화재진화용 마이크로 캡슐의 일 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 수성도료 조성물을 건조 및 경화시킨 경화물을 이를 잘게 분쇄한 알갱이에 불꽃을 점화하고 소화시킬 때 시간별 상태를 나타낸 사진이다.
도 4는 N-H 마이크로캡슐의 DSC곡선과 온도 변화에 따른 마이크로 캡슐 변화(SEM Image)를 나타내는 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 수성도료 조성물은 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼, 무공형 실리콘 폴리머, 중공형 세라믹입자, 방청성 아크릴에멀젼, 및 초기 화재소화용 마이크로 소화캡슐을 포함한다.
우선, 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼은, 단차열 조성물이 경화되어 단차열층이 형성되었을 때, 단차열층의 차광성, 내후성, 내오염성, 내열성, 난연성을 향상시키는 기능을 수행할 수 있다.
차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼은 불소계 폴리머와 아크릴 수지가 중합된 후 물에 분산되어 형성된다. 불소계 폴리머 대 아크릴 수지의 중량비가 3:7~7:3의 비율로 중합될 수 있고, 바람직하게는 5:7~7:5의 중량비로 중합될 수 있다. 불소계 폴리머의 중량비가 3 미만인 경우 내오염성과 내열성이 저하될 수 있고, 아크릴 수지의 중량비가 3 미만인 경우 조성물이 경화되어 단차열층이 형성되었을 때 피도물에 대한 단차열층의 부착성 및 밀착성이 저하될 수 있다.
불소계 폴리머는 비닐리덴 플루오라이드, 비닐 플루오라이드, 트리플루오로에틸렌, 시클로트리플루오로에틸렌(CTFE), 테트라플루오로에틸렌(TFE), 또는 헥사플루오로프로필렌(HFP) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼의 최소 조막 온도(Minimum Film Formation Teamperature, MFFT)는 약 12 ℃이하일 수 있는 데, 이를 통해 단차열 조성물이 비교적 낮은 온도에서도 용이하게 경화되어 단차열층을 형성할 수 있다.
상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼에서 비휘발분 (Non-Volatile Material, NVM)의 함량은 유기 용매의 양을 통해 조절될 수 있으며, 상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼 기준으로 35~55 중량%인 것이 바람직한데, 비휘발분(Non-Volatile Material, NVM)의 함량이 35 중량% 미만이면 단차열층을 충분히 형성하지 못하여 차광성, 내후성, 내오염성, 내열성, 난연성이 저하될 수 있으며, 55 중량%를 초과하는 경우, 수성도료 조성물의 저장 안정성, 작업성 및 양산성이 저하될 수 있다.
상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼의 pH는 7~10의 범위에서 조절될 수 있는데, pH가 7 미만일 경우에는 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼에 포함된 불소계 폴리머의 응집 또는 상분리가 일어나 저장안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 10를 초과할 경우에는 겔화(gelling)되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼의 점도는 UL어댑터가 부착된 브룩필드 점도계(Broofield viscometer)를 이용하여 측정할 수 있고, 80~120 Pa·s 일 수 있는데, 80 Pa·s 미만일 경우에는 도막이 얇게 올라가서 작업성에 문제가 있을 수 있으며, 120 Pa·s를 초과할 경우에는 도막이 두꺼워져 건조에 문제가 있을 수 있다.
상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼에 포함되는 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도는 상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼 기준으로 1 중량% 이하인 것이 도료 조성물을 사용함에 있어서 인체에 안전하다.
한편, 상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼은 전체 단차열 조성물의 중량 대비 3~7중량% 만큼 포함되는 것이 바람직하다. 이러한 범위 내에서, 단차열층의 근적외선 반사성, 내후성, 내구성, 내열성, 내오염성, 난연성이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 방청성 아크릴 에멀젼은 단차열 조성물의 바인더(binder)로서 기능할 수 있으며, 방청제와 아크릴 수지가 중합된 후 물에 분산되어 형성될 수 있다.
여기에서 방청제는 특별히 한정되지 않지만, 아민 화합물, 벤조트리아졸계 화합물, 아질산염류, 벤조산 암모늄, 프탈산 암모늄, 스테아르산 암모늄, 팔미트산 암모늄, 올레산 암모늄, 탄산암모늄, 디시클로헥실아민 벤조산염, 요소, 우로트로핀, 티오 요소, 카르바민산페닐, 시클로헥실암모늄-N-시클로헥실카르바메이트(CHC) 중에서 하나 이상 일 수 있다.
상기 방청성 아크릴 에멀젼에서 비휘발분 (Non-Volatile Material, NVM)의 함량은 유기 용매의 양을 통해 조절될 수 있으며, 상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼 기준으로 40~50 중량%인 것이 바람직한데, 비휘발분(Non-Volatile Material, NVM)의 함량이 40 중량% 미만이면 형성된 단차열층의 내후성, 내구성, 내부식성, 내열성이 저하될 수 있으며, 50 중량%를 초과하는 경우, 수성도료 조성물의 작업성 및 양산성이 저하될 수 있다.
상기 방청성 아크릴 에멀젼의 유리전이온도(Tg)는 20~50℃ 일 수 있는데, 20℃ 미만일 경우에는 도막이 깨지는 문제가 있을 수 있고, 50℃를 초과할 경우에는 도막의 건조가 늦어지는 문제가 있을 수 있다.
상기 방청성 아크릴 에멀젼의 최소 조막 온도(Minimum Film Formation Teamperature, MFFT)는 10~40 ℃일 수 있는 데, 10℃ 미만일 경우에는 단차열층 내에 방청성 조막이 충분히 형성되지 못하는 문제가 있을 수 있으며, 40℃를 초과할 경우에는 방청제의 응집 현상으로 저장안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 방청성 아크릴 에멀젼의 pH는 8~10의 범위에서 조절될 수 있는데, pH가 8 미만일 경우에는 방청성 아크릴 에멀젼에 포함된 방청제의 응집 또는 상분리가 일어나 저장안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 10을 초과할 경우에는 겔화(gelling)되는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로 상기 방청성 아크릴 에멀젼으로는 BASF사의 존크릴프로 1522 (Joncryl PRO 1522), 존크릴프로 1525 (Joncryl Pro 1525), 아크로날프로 761 (Acronal Pro 761) 등의 물질 중에서 하나 이상을 사용할 수 있다.
위와 같은 방청성 아크릴 에멀젼은 본 발명의 단차열 조성물이 경화되어 단차열층이 형성될 때, 내후성, 내구성, 내부식성, 내열성을 향상시키는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 상기 아크릴 에멀젼과 같은 아크릴계 바인더는, 마이크로 소성 실리카, 마이크로 소성 알루미나, 그리고 마이크로 인산 아연(Zinc phosphate)과 함께 사용되면, 단차열층(도막, 코팅층) 형성 시 경화과정에서 유기결합력이 다른 계열의 바인더보다 약 20% 이상 강해질 수 있고, 이로 인해 하도나 중도 없이 단차열층의 부착성을 현저하게 향상시킬 수 있고, 금속이나 비철금속과 같은 재질에 대해서도 우수한 부착성을 구현할 수 있다.
구체적으로, 마이크로 소성 실리카, 마이크로 소성 알루미나, 그리고 마이크로 인산 아연은, 방청성 아크릴 에멀젼과 동시에 사용되었을 때, 단차열층(도막) 형성 시 경화 과정에서, 각 성분 간의 강력한 유기결합에너지를 통해 매우 우수한 수준의 부착성 및 밀착성을 구현할 수 있고, 내구성, 내후성, 방청성, 자가정화성, 또한 크게 향상시킬 수 있다.
위와 같이, 단차열 조성물이 경화되어 형성된 단차열층은 피도물의 소재에 무관하게 매우 우수한 수준의 밀착성과 부착성을 나타낼 수 있고, 이로 인해 별도의 하도층이나 중도층이 불필요하고, 단일의 단차열층 만으로도 충분한 단차열 성능을 구현할 수 있으며, 매우 얇은 두께로도 충분한 단차열 효과를 나타낼 수 있다.
이러한 우수한 단차열 효과로 인하여, 본 발명의 단차열층의 두께는 300 ㎛ 이하로 구성될 수 있으며, 이러한 초박(ultra-thin) 도막(단차열층)으로도 종래의 단차열층들보다 우수한 단열 및 차열 효과를 나타낼 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명 조성물을 사용할 경우, 단위 면적당 도장되어야 할 단차열 조성물의 중량이 크게 감소할 수 있고, 이로 인해 도장 시간을 단축시키고 비용을 절감시킬 수 있다.
아울러, 도막 형성 시 경화 과정에서, 마이크로 소성 실리카, 마이크로 소성 알루미나 및 마이크로 인산 아연이 아크릴계 바인더와 결합하여 유기결합력이 다른 종류(계열)의 바인더들에 비해 약 20% 이상 강해지는 시너지 효과(synergy effect)가 발생하는 바, 전술한 부착성, 밀착성, 내구성, 내후성, 방청성, 자가정화성이 현저하게 향상될 수 있다.
마이크로 소성 실리카, 마이크로 소성 알루미나, 그리고 마이크로 인산 아연은, 통상적인 마이크로파를 이용한 소성로를 이용하여 마이크로파를 조사하여 발열시킴으로써 제조될 수 있다. 마이크로 소성 실리카, 마이크로 소성 알루미나, 그리고 마이크로 인산 아연은 낮은 열팽창률과 낮은 열충격성을 가짐으로써 단차열층의 열화 및 수축 팽창을 억제할 수 있고, 동시에 우수한 방청 성능도 나타낼 수 있다. 바람직한 소성 온도는 약 700~1500 ℃일 수 있고, 더욱 바람직하게는 약 800~1200 ℃일 수 있다.
단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 마이크로 소성 실리카는 약 2~6 중량%일 수 있고, 마이크로 소성 알루미나는 약 2~6 중량%일 수 있으며, 마이크로 인산 아연은 약 3~7 중량% 포함될 수 있다. 상기와 같은 함량범위내로 조절할 경우, 단차열층의 부착성, 밀착성, 내구성, 내후성, 방청성, 자가정화성이 더욱 향상된 조성물을 제조할 수 있다.
무공형 실리콘 폴리머 입자는 주로 차광성 및 차열성을 향상시킨다. 무공형은 입자 내부에 중공이 존재하지 않는 형태이고, 무공형 실리콘 폴리머 입자는 근적외선을 반사시켜 외부로부터 열이 유입되는 것을 차단하여 단차열층의 차열 기능을 구현할 수 있다.
무공형 실리콘 폴리머 입자는, 소수성(hydrophobic) 실리콘 폴리머를 포함할 수 있으며, 마이크로 스피어(micro sphere) 형태로 이루어 질 수 있다.
무공형 실리콘 폴리머 입자의 평균 입경은 1~5 ㎛ 일 수 있다. 무공형 실리콘 폴리머 입자의 평균 입경이 1㎛ 미만일 경우, 근적외선 반사 효율이 낮아져 충분한 차열성을 확보할 수 없고, 5㎛를 초과할 경우에는 비표면적이 작아질 수 있어, 근적외선 반사 효율이 낮아질 수 있다.
상기 무공형 실리콘 폴리머 입자의 평균 입경은 더욱 바람직하게 1~2㎛로 조절될 수 있다.
무공형 실리콘 폴리머 입자는 외부로부터 도달한 근적외선을 반사시켜서, 복사열의 발생을 저하시킬 수 있다. 무공형 실리콘 폴리머 입자의 열전도도는 약 0.15 W/m·K 이하일 수 있고, 이러한 범위 내에서, 단차열층에 도달한 복사열의 이동을 적절하게 제한하여 단열성을 향상시킬 수 있다.
무공형 실리콘 폴리머 입자의 연화점(softening point)은 약 1000 ℃이상일 수 있고, 약 1200 ℃이하일 수 있다. 무공형 실리콘 폴리머 입자의 연화점이 약 1000 ℃미만일 경우, 단차열층이 고온 다습한 환경에 노출되는 경우 무공형 실리콘 폴리머 입자의 강도가 약해져 손상되거나 파괴될 수 있고, 이로 인해 차열성이 저하될 수 있다. 무공형 실리콘 폴리머 입자의 연화점이 약 1200 ℃보다 커지는 경우, 입자의 경도가 약해질 수 있다.
무공형 실리콘 폴리머 입자의 진구도는 약 0.8 이상일 수 있고, 이로 인해 무공형 실리콘 폴리머 입자가 열을 거의 흡수하지 않고, 반사시킬 수 있고, 단차열층 내부에서 열이 전달되는 것을 감소시킬 수 있다.
단차열 조성물이 경화 건조되면서, 비중 차이에 의해, 무공형 실리콘 폴리머 입자는 상대적으로 단차열층의 상부에 배치될 수 있다. 보다 상세하게는, 단차열층이 피도물에 접촉되는 제 1 면, 그리고 제 1 면의 반대 면인 제 2 면(외부에 노출되는 면)을 포함하는 경우, 단차열층을 두께 방향으로 절단한 단면에서, 제 1 면에서 제 2 면 방향으로 갈수록 무공형 실리콘 폴리머 입자의 개수가 많아질 수 있다. 따라서, 무공형 실리콘 폴리머 입자의 대부분이 단차열층의 상부(제 2 면에 가까운 소정의 부분)에 배치되기 때문에, 외부에서부터 도달하는 근적외선을 매우 효과적으로 반사시킬 수 있고, 차열 성능이 극대화될 수 있다.
본 발명의 중공형 세라믹 입자는 주로 단열성을 향상시키는 역할을 수행한다. 중공형 세라믹 입자는 내부에 중공을 포함하므로, 외부에서 유입된 근적외선(열)이 산란 및 반사되면서 열 전달 속도를 최소화시킬 수 있고, 이로 인해 단차열층의 단열성을 크게 향상시킬 수 있다.
중공형 세라믹 입자는, 마이크로 스피어 형태를 가질 수 있으며, 소듐 보로실리케이트(Sodium borosilicate)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 소듐 보로실리케이트(Sodium borosilicate)를 사용할 경우, 우수한 압축 강도를 제공할 수 있는 바, 건축물 도료 소재로 사용하기에 적합하다.
중공형 세라믹 입자의 평균 입경(D2)은 약 1~20 ㎛ 일 수 있다. 중공형 세라믹 입자의 평균 입경이 약 1 ㎛ 미만인 경우, 중공형 세라믹 입자들이 피도물의 제 2 면(단차열층이 피도물에 접촉되는 제 1 면, 그리고 제 1 면의 반대 면인 제 2 면(외부에 노출되는 면)을 포함하는 경우) 쪽으로 뜨게 되어(제 2 면에 근접한 영역에 집중적으로 위치하게 되어) 무공체에 의한 근적외선의 산란 및 반사가 충분히 발생하지 않아 차열 성능이 저하될 우려가 있다. 반면, 중공형 세라믹 입자의 평균 입경이 약 20 ㎛ 초과인 경우, 중공형 세라믹 입자의 비표면적이 작아지게 되어 복사열의 이동 차단 성능이 저하되고, 이로 인해 단열 성능이 저하될 수 있다.
이때, 무공형 실리콘 폴리머 입자들의 진구도가 약 0.8 이상일 수 있고, 이로 인해 복사열로 바뀌는 근적외선이 단차열층(도막)에 침투하기 이전에 거의 산란 및 반사될 수 있고, 이로 인해 차열 성능이 크게 향상될 수 있다.
한편, 무공형 실리콘 폴리머의 평균 입경 : 중공형 세라믹 입자의 평균 입경은 2 : 1~1 : 20으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 범위내의 입자를 활용하여, 단차열층(도막) 형성 시, 무공형 실리콘 폴리머 입자, 중공형 세라믹 입자가 최적의 형태로 입자 배열될 수 있고, 이로 인해 차열 성능과 단열 성능이 균형을 이루면서 최적화 될 수 있는 바, 단차열층이 약 95% 이상의 일사 반사율과 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 동시에 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 수성도료 조성물이 경화 건조되면서 형성된 초기 화재진화용 마이크로 캡슐 외부용 단차열 도료 도막 단면도를 나타내는 도면이다.
도 1a는 초기소화용 N-H 마이크로 소화캡슐(10), 무공형 세라믹입자(20), 중공형 세라믹입자(30), 소성 마이크로 알루미나, 소성 마이크로 실리카 및 마이크로 인산아연을 포함하는 무기필러(40)를 포함하는 조성물을 피도물(50)에 도포하여 경화 건조되기 전의 상태를 나타낸 것이다.
도 1b는 상기의 입자들이 각각 순차적으로 형성한 초기소화용 마이크로캡슐층(10a), 차열 성능이 있는 무공형 세라믹 입자층(20a), 단열 성능이 있는 중공형 세라믹 입자층(30a), 상기 무기필러를 포함하는 하도층(40a)을 나타낸 것이다.
본 발명의 수성도료 조성물은 경화하면서 초기소화용 마이크로캡슐층(10a)이 도막의 최상부에, 그 아래에 순차적으로 차열 성능이 있는 무공형 세라믹 입자층(20a), 단열 성능이 있는 중공형 세라믹 입자층(30a), 상기 무기필러를 포함하는 하도층(40a)이 배열될 수 있다.
본 발명의 수성도료 조성물은 경화 건조되면서, 초기소화용 마이크로캡슐층(10a)이 도막의 최상부에 위치할 수 있는데, 상기와 같이 최상부에 위치함으로써 화재 발생시 마이크로캡슐이 신속하게 온도를 자가감응하여 기화된 조성물이 화염에 직접 분사되어 빠르게 초기 화재에 대응할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 수성도료 조성물은 경화 건조되면서, 비중 차이에 의해, 중공형 세라믹 입자는 상대적으로 단차열층의 하부에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 단차열층이 피도물에 접촉되는 제1 면, 그리고 제1 면의 반대 면인 제2 면(외부에 노출되는 면 또는 마이크로캡슐층 하부 면)을 포함하는 경우, 단차열층을 두께 방향으로 절단한 단면에서, 제1 면에서 제2 면 방향으로 갈수록 중공형 세라믹 입자의 개수가 적어질 수 있다. 무공형 실리콘 폴리머 입자의 대부분이 단차열층의 상부(제2 면에 가까운 부분)에 배치되고, 중공형 세라믹 입자의 대부분이 무공형 실리콘 폴리머 입자의 하부(상대적으로 제1 면에 가까운 부분)에 배치되므로, 외부에서 도달하는 근적외선 중 무공형 실리콘 폴리머 입자에서 반사 및 산란되지 않은 근적외선으로 인한 복사열이 피도물로 전달되는 것을 매우 효과적으로 억제할 수 있고, 단차열층의 단열 성능이 극대화될 수 있다.
본 발명의 수성도료 조성물은 경화하면서 초기소화용 마이크로캡슐층(10a)이 도막의 최상부에 형성될 수 있는데, 이는 본 발명의 수성도료 조성물에 포함되는 마이크로 캡슐의 70% 이상이 도막의 최상부에 위치하여 초기소화용 마이크로캡슐층(10a)이 형성되었음을 의미할 수 있으며, 상기와 같이 마이크로 캡슐의 많은 양이 도막의 최상부에 위치함으로써, 화재 발생시 초기 화재를 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 수성도료 조성물은 경화하면서 마이크로캡슐층(10a)의 하부에 차열 성능이 있는 무공형 세라믹 입자층(20a)을 형성할 수 있는데, 이는 본 발명의 수성도료 조성물에 포함되는 무공형 세라믹 입자의 70% 이상이 마이크로캡슐층(10a)의 하부에 위치하여 차열 성능이 있는 무공형 세라믹 입자층(20a)이 형성되었음을 의미할 수 있으며, 상기와 같이 무공형 세라믹 입자의 많은 양이 마이크로캡슐층(10a)의 바로 하부에 위치함으로써, 초기 화재를 진압할 수 있는 기능을 나타내면서도 약 95% 이상의 일사 반사율을 달성할 수 있다.
본 발명의 수성도료 조성물은 경화하면서 무공형 세라믹 입자층(20a)의 하부에 단열 성능이 있는 중공형 세라믹 입자층(30a)을 형성할 수 있는데, 이는 본 발명의 수성도료 조성물에 포함되는 중공형 세라믹 입자의 70% 이상이 무공형 세라믹 입자층(20a)의 하부에 위치하여 차열 성능이 있는 중공형 세라믹 입자층(30a)이 형성되었음을 의미할 수 있으며, 상기와 같이 중공형 세라믹 입자의 많은 양이 무공형 세라믹 입자층(20a)의 하부에 위치함으로써, 초기 화재를 진압할 수 있는 기능을 나타내면서도 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 달성할 수 있다.
따라서, 상기와 같이 소화용 마이크로 캡슐의 함량과 단차열을 위한 중공형 및 무공형 입자의 함량이 적절히 조절되고, 경화 건조 후 도막이 상기와 같은 층을 형성함으로써, 초기 화재 진압이라는 새로운 효과를 가지면서도 단차열 성능이 우수하게 유지되는 조성물을 제공할 수 있다.
한편, 무공형 실리콘 폴리머 입자와 중공형 세라믹 입자의 함량은 0.6 : 1 ~ 1 : 0.6 으로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 함량 범위 내로 조절될 경우, 단차열층의 차열 성능과 단열 성능이 균형을 이루면서 최적화 될 수 있고, 단차열층이 약 95% 이상의 일사 반사율과 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 동시에 달성할 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 단차열 조성물은, 무공형 실리콘 폴리머 입자와 중공형 세라믹 입자를 함께 포함하고 있다.
일반적으로, 중공형 세라믹 입자를 단독으로 사용하는 것이 차열성과 단열성을 구현하는 최적의 형태로 알려져 있었다. 그러나, 전술한 바와 같이, 단차열층의 차열성과 단열성을 동시에 현저하게 향상시키기 위해서는, 무공형의 실리콘 폴리머 입자와 중공형의 세라믹 입자를 함께 포함하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 단차열 조성물이 무공형의 실리콘 폴리머 입자와 중공형의 세라믹 입자를 함께 포함하는 경우, 단차열 조성물이 중공형의 세라믹 입자만을 포함하는 경우보다 단차열층의 차열성 및 단열성을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 단차열 조성물이 무공형의 실리콘 폴리머 입자와 중공형의 세라믹 입자를 함께 포함하는 경우의 단열 성능과 차열 성능(일사반사율, 근적외선 반사유지율 등)이, 단차열 조성물이 무공형의 실리콘 폴리머 입자만을 포함하는 경우의 단열 성능과 차열 성능에 비해 현저하게 우수할 수 있다.
무공형의 실리콘 폴리머 입자와 중공형 세라믹 입자를 함께 포함하는 경우, 건조시간(지촉건조시간 및 고화건조시간)이 현저하게 단축될 수 있고, 이로 인해 도장 간격 시간이 약 10분 이상 크게 단축될 수 있다.
단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 방청성 아크릴 에멀젼은 약 30~40 중량%, 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼은 약 2~10 중량%, 무공형 실리콘 폴리머 입자는 약 10~15 중량%, 중공형 세라믹 입자는 약 3~10 중량% 일 수 있다. 이러한 수치범위 내에서, 방청성과 내세척성이 더욱 현저하게 향상될 수 있고, 차열 성능 또한 더욱 우수해질 수 있다.
한편, 단차열 조성물이 경화 건조되면서, 비중 차이에 의해 중공형 세라믹 입자는 상대적으로 차열층의 하부에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 단열층이 피도물에 접촉되는 제 1 면, 그리고 제 1 면의 반대 면인 제 2 면(외부에 노출되는 면)을 포함하는 경우, 단열층을 두께 방향으로 절단한 단면에서, 제 1 면에서 제 2 면 방향으로 갈수록 중공형 세라믹 입자의 개수가 적어질 수 있다. 위와 같이 중공형 세라믹 입자의 대부분이 하부(상대적으로 제 1 면에 가까운 부분)에 배치되므로, 외부에서 도달하는 근적외선으로 인한 복사열이 피도물로 전달되는 것을 매우 효과적으로 억제할 수 있고, 단열층의 단열 성능이 극대화될 수 있다.
본 발명의 단열 조성물은 불소계 얼룩 방지제(Fluoro stain resistant additive)를 추가로 포함할 수 있다.
불소계 얼룩 방지제는 단차열층에 발수성 및 발유성을 부여할 수 있고, 이로 인하여 내오염성이 향상되고, 얼룩 제거가 용이해지며, 단차열층의 내구성이 증진될 수 있다. 불소계 얼룩 방지제는 불소기를 함유한 폴리우레탄, 불소기를 함유한 폴리아크릴 에멀젼 및 불소기를 함유한 폴리아크릴 변성우레탄 에멀젼 중 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 불소계 얼룩 방지제는 약 1~3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 중량범위로 포함될 경우, 도막의 발수성 및 발유성이 향상되는 바, 도막의 얼룩제거를 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
추가적으로 본 발명 조성물은 지르코-알루미네이트 커플링제를 포함할 수 있다.
지르코-알루미네이트 커플링제는 금속 또는 합금과의 밀착성 및 부착성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 단차열 조성물이 금속/합금 피도물 표면에 코팅되는 경우, 단차열층과 피도물 표면과의 부착성 및 밀착성이 크게 향상될 수 있고, 하도층, 중도층, 프라이머층 등의 별도 층이 불필요하여 단일의 층으로 구현될 수 있으며, 매우 얇은 도막 두께를 구현할 수 있다.
단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 지르코-알루미네이트 커플링제는 약 0.3~0.7 중량%로 포함될 수 있다.
단차열 조성물은, 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 증점제, 부식 억제제(corrosion inhibitor), pH 조절제, 필름 형성제(film forming agent), 방부제, 또는 소포제 중 하나 이상을 더 포함한다.
프로필렌 글리콜은 냉동 안정제로 기능할 수 있다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 프로필렌 글리콜은 약 0.1~0.5 중량%로 포함될 수 있다.
증점제는 조성물의 점도 조절, 증점 및 칙소성 부여, 입자의 침강 방지, 재분산성 개선, 흐름성 개선 등과 같은 입자의 저장 안정성을 향상시킬 수 있다. 증점제는, 예를 들어, 하이드록시에틸 셀룰로오스(hydroxyethyl cellulose)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 증점제는 약 0.1~0.5 중량%로 포함될 수 있다.
부식 억제제는 고온 다습한 환경에서도 부식을 최소화시킬 수 있고, 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 약 0.8~1.2 중량%로 포함될 수 있다.
pH 조절제는 조성물의 산도를 일정 범위 내로 조절하는 데 사용될 수 있고, 예를 들어, 아미노메틸프로판올(amp) 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, pH 조절제는 약 0.3~0.7 중량%로 포함될 수 있다.
필름 형성제(film forming agent)는, 예를 들어, 텍산올(texanol)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 필름 형성제는 약 1~3 중량%로 포함될 수 있다.
방부제는, 예를 들어, 알킬 디메틸 벤질 암모늄(n-alkyl dimethyl benzyl ammonium)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 방부제는 약 0.1~0.5 중량%로 포함될 수 있다.
단차열 조성물은 물(H2O)을 포함하고, 물은 점도를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 실시예에 따른 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로 물은 약 14~18 중량% 일 수 있고, 이러한 범위 내에서, 조성물이 금속이나 합금 표면에 도포되었을 때, 최적의 부착성 및 밀착성을 구현할 수 있고, 경화 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 조성물은 추가적으로 내오염성을 향상을 위해 오르토산 규산나트륨을 추가로 포함할 수 있다. 단차열 조성물 전체 중량을 기준으로, 오르토산 규산나트륨은 약 0.8~1.2 중량%일 수 있다.
아울러, 본 발명의 단열 조성물은 불소계 계면활성제를 추가로 포함할 수 있다
상기 불소계 계면활성제는 퍼플루오로 알킬기를 포함할 수 있으며, 전체 조성물 중량을 기준으로 0.1~0.5중량% 포함될 수 있는데, 상기 중량%의 범위로 포함시킴으로써 도막의 표면장력을 저하시켜 오염을 방지하고 세정성을 향상시킬 수 있으며, 우수한 도막의 평활성을 부여할 수 있다.
도 2는 본 발명의 수성도료 조성물에 포함되는 초기 화재진화용 마이크로 캡슐의 일 단면을 나타내는 도면이다.
본 발명의 수성도료 조성물에는 화재 초기 소화를 위한 소화용 마이크로 캡슐이 포함될 수 있는데, 상기 소화용 마이크로 캡슐은 도 2에 도시된 바와 같이, 코어-쉘 구조를 포함한 형태로 구성될 수 있다.
코어-쉘 구조로 이루어진 본 발명 마이크로 캡슐의 경우, 마이크로 캡슐 내의 물질인 소화 조성물을 외부로 배출시켜 화재를 초기에 소화하는 용도로 사용된다.
구체적으로, 화재 발생 시 소화 조성물이 열에 의해 기화되어 팽창될 수 있으나, 상기 쉘 부의 내구성 및 기밀성에 의해 반응(파열, 누출)하지 않고 있다가, 화재 시 120~220℃ 온도를 자가감응하여 터지며 기화된 소화 조성물이 화염에 직접 분사 작용하여, 연소의 4조건인 연료(가연물), 산소(공기), 열(발화원), 연쇄반응 중, 열(발화원)과 연쇄반응을 끊어주어 화재를 소화할 수 있으며, 15초 이내에 800℃에서 30℃로 냉각시켜 재연소를 억제할 수 있다.
이러한 본 실시예에 따른 마이크로 캡슐은 내부에 폐공간이 형성된 마이크로 크기의 쉘 부와, 쉘 부의 내측에 위치하는 코어부 상의 소화 조성물을 포함한다.
쉘부는 화재 발생 시 열폭주로 120~220℃에 도달하면 이 온도를 감지(자가 온도 감응)해서 8초내에 녹아 터져 코어내의 소화물질이 분사되어 초기에 화재를 소화 할 수 있는 열가소성 수지로 형성 할 수 있다. 그리고 15초 이내에 800℃에서 30℃로 냉각시켜 재연소를 억제 할 수 있다.
구체적으로, 상기 쉘 부는 온도 반응에 의한 역할을 수행하기 위하여, 비다공성 고분자 중합체로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어서, 폴리우레탄 수지, 폴리우레아 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트 수지, 아미노알데히드 수지, 멜라민 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌-아크릴레이트 공중 합체 수지, 스티렌-메타 크릴레이트 공중합체 수지, 젤라틴, 폴리비닐알코올, 페놀포름알데이드 수지 및 레소시놀 포름알데히드 수지에서 선택된 하나 이상을 포함하여 제공될 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 쉘 부는 멜라민-요소-포름알데히드 수지 (Melamine-urea-formaldehyde resin)를 포함하도록 구성될 수 있는데, 상기 멜라민-요소-포름알데히드 수지는 온도 감응이 민감한 특성을 가지는 바, 120~220℃범위 온도에서 민감하게 자가 감응하여 쉘부가 파괴되어 소화물질이 분사되게 함으로써 우수한 화재 초기의 소화 효과를 얻을 수 있다.
상기 쉘 부는 마이크로 캡슐의 외형을 형성한다.
한편 본 실시예에서는 쉘 부가 구형으로 형성되는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 쉘 부는 튜브 형태로 형성될 수 있으며, 튜브 형태의 쉘 부 내부의 폐공간에 소화 조성물이 내장될 수 있다.
쉘 부의 내측에 존재하는 코어부에는 소화 조성물이 포함될 수 있다.
상기 본 발명의 소화조성물은 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)는 쉘의 내부에서의 저장안정성이 뛰어나며, 쉘 외부로 방출 시 효과적인 분사효율을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)는 1:3~3:1의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논 대 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 비율이 1:3 미만일 경우에는 소화능력 및 쉘의 코어 내 소화물질의 저장 안정성에 문제가 발생할 수 있으며, 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논 대 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 비율이 3:1 초과일 경우 쉘 코어 내 소화물질의 재연소 방지 효과가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 소화용 마이크로 캡슐의 입경은 60~80㎛로 조절되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 캡슐의 입경이 60㎛ 미만일 경우, 캡슐의 입경이 작아져 피도물 표면의 특정 부위에 도포시키는 공정상에 어려움이 있을 수 있으며, 반대로 80㎛를 초과할 경우 단위 중량당 표면적이 작아져 온도 변화에 따른 빠른 반응성을 나타내지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 수성도료 조성물의 전체 중량을 기준으로, 상기 소화용 마이크로 캡슐의 함량은 5~15 중량%로 함유되는 것이 바람직하다.
이러한 함량범위내로 조절될 경우, 단열층의 단열효과를 비롯하여, 내후성, 내구성, 내열성, 내오염성 등의 물성이 최적으로 조절될 수 있는데, 5 중량% 미만일 경우 초기 소화 효과가 미비해지는 문제가 발생할 수 있고, 15 중량%를 초과하여 포함될 경우 점도의 상승 등으로 도장 작업성이 나빠지고 건조 도막의 내구성이 저하되며, 제조 원가의 측면에서 부적절 할 수 있다.
특히, 상기 소화용 마이크로 캡슐의 함량과 단차열을 위한 중공형 및 무공형 입자의 함량이 적절히 조절됨으로써, 초기 화재 진압이라는 새로운 효과를 가지면서도 단차열 성능이 우수하게 유지되는 조성물을 제조할 수 있다.
특히, 상기 소화용 마이크로 캡슐의 함량 : 무공형 실리콘 폴리머 입자 및 중공형 세라믹 입자의 총 함량을 1:1 ~ 1:3으로 조절할 수 있는데, 마이크로 캡슐의 함량 대비 무공형 실리콘 폴리머 입자 및 중공형 세라믹 입자의 총 함량의 비율이 1 이하일 경우 경화 후 건조 도막의 상부에 위치하는 마이크로 캡슐의 양이 지나치게 많아져 초기 화재 진압의 목적은 충분히 달성될지 모르지만 단차열 성능이 상대적으로 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 3 이상일 경우 건조도막의 상부에서 마이크로 캡슐이 형성하는 층이 얇아지고 무공형 및 중공형 세라믹 입자가 마이크로 캡슐이 형성하는 층과 혼합되는 비율이 많아져 초기 화재 진압의 효과가 저하될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
다시 말해서, 상기의 소화용 마이크로 캡슐의 함량 : 무공형 실리콘 폴리머 입자 및 중공형 세라믹 입자의 총 함량의 비율을 조절함으로써, 약 95% 이상의 일사 반사율 및 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 보임과 동시에 우수한 초기화재 진압성능을 가지는 건조도막을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 수성도료 조성물을 건조 및 경화시킨 경화물을 이를 잘게 분쇄한 알갱이에 불꽃을 점화하고 소화시킬 때 시간별 상태를 나타낸 실제 사진으로, 여기에서 3a는 점화 전(0초), 3b는 4초 후, 3c는 8초 후, 3d는 15초 후의 상태를 나타낸다.
점화 후 8초까지는 상기 알갱이가 연소되어 발화되다가 8초 이후 차츰 소화되어 15초 후 완전 소화된 경향을 보이는데, 이는 조성물에 포함되어 있던 마이크로 캡슐의 쉘부가 화재 발생 시 열폭주로 120~220℃에 도달하여 이 온도를 감지(자가 온도 감응)해서 8초 내에 녹아 터져 코어내의 소화물질이 분사되고, 소화물질이 15초 이내에 800℃에서 30℃로 냉각시켜 재연소를 억제할 수 있으므로 상기와 같은 경향을 보이는 것으로 볼 수 있다.
도 4는 N-H 마이크로캡슐의 시차주사 열량분석(DSC, Differential Scanning Calorimetry) 곡선 및 온도 변화에 따른 마이크로 캡슐 변화(SEM Image)를 나타내는 도면이다.
72℃ 부근에서는 마이크로 캡슐이 구형으로 존재하고 있으나, 150℃ 부근에서는 온도 감응을 하여 쉘부가 파열된 형태로 존재하는 것을 확인함으로써, 120~220℃ 감응온도 범위에서는 코어내의 소화물질이 분사될 수 있는 것을 알 수 있었다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
하기 조성물을 교반하여 소화기능을 가지는 단차열 조성물을 제조하였다.
구체적인 조성 및 조성비는 하기 표 1에 기재하였다.
한편, 실시예 1의 N-H-마이크로 소화캡슐은, 단일 쉘-코어 구조로 구성되며, 상기 코어부는 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)을 1:1 함량으로 포함하고, 쉘부는 멜라민-요소-포름알데히드 수지 (Melamine-urea-formaldehyde resin)를 포함하도록 구성되었다.
[비교예 1]
기존 대한민국 등록특허 제10-2283891호에 따른 조성과 조성비를 갖는 조성물을 교반하여 단차열 조성물을 제조하였다. 구체적인 조성 및 조성비는 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 2]
기존 대한민국 등록특허 제10-2283877호에 따른 조성과 조성비를 갖는 조성물을 교반하여 단차열 조성물을 제조하였다. 구체적인 조성 및 조성비는 하기 표 1에 기재하였다.
[비교예 3]
기존 대한민국 등록특허 제10-2311501호에 따른 조성과 조성비를 갖는 조성물을 교반하여 단차열 조성물을 제조하였다. 구체적인 조성 및 조성비는 하기 표 1에 기재하였다.
NO 구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
1 물(H2O) 14.0 15 14 14
2 냉동 안정제(Propylene Glycol) 0.3 0.3 0.3 0.3
3 불소계 계면활성제(FC 4430) 0.3 0.3 0.5 0.3
4 무용제 습윤제 (byk-190) - 0.3 - 0.3
5 증점제(NATRASOL 250HR) 0.3 0.3 0.3 0.3
6 부식 억제제(SYTHRO COR B) 1 0.5 1 0.5
7 필름 형성제(TEXANOL) 1.5 2 2 2
8 징크 피리티온(Zinc Pyrithion) 0.2 0.3 0.1 0.3
9 이산화티탄(TiO2) 7 10 7 7
10 이산화티탄 아나타제 나노파우더 - 0.5 - 0.5
11 마이크로 알루미늄 티타네이트(MICRO ALUMINIUM TITANATE) - - 2 -
12 마이크로 소성 알루미나 3 - 4 5
13 마이크로 소성 실리카 3 - 4 4
14 마이크로 인산 아연 4 - 5 4
15 티탄산칼륨(위스커) 1.5 - - -
16 오르토산 규산나트륨 1 - - -
17 실리콘 아크릴 공중합 에멀젼 - 34 30 30
18 방청성 아크릴 에멀젼(BASF JONCRYL PRO 1522) 30 - - -
19 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼(ARKEMA KYNOR AQUATEC FMA12) 5 5 5 5
20 퓸드 실리카(Fumed Silica) - 3 2 3
21 알루미늄 실리케이트(INSULADD) - 5 7 4
22 소수성 실리콘 폴리머 마이크로스피어(SL-200M) 11 - - -
23 소듐 보로실리케이트 할로우 마이크로스피어(서경CMT) 5 - - -
24 알칼리 알루미노 실리케이트 마이크로스피어(무공체, 평균입경 1~5 ㎛) - 7 9 5
25 소다라임 보론 실리케이트 세라믹 할로우 마이크로스피어(중공체, 평균입경 20 ㎛ 이하) - 13 3 11
26 방부제(BIOCIDE 3300N) 0.2 0.5 0.3 0.5
27 PH 조절제(AMP 95) 0.3 0.5 0.5 0.5
28 ZIRCO-ALUMINATE 커플링제 0.3 - 0.5 -
29 소포제(BYK 024) 0.3 0.5 0.5 0.5
30 자외선 안정제(HALS, 송원산업) 0.3 2 2 2
31 불소계 얼룩 방지제(3M SRC 220) 2 - - -
32 N-H-마이크로 소화캡슐 10 - - -
[시험예 1]
<건조도막 형성 조건>
실시예 1, 비교예 1~3의 조성물을 피도물의 일면에 아래 [표 2]의 조건으로 도포 및 건조하여 건조 도막을 형성하였다. 여기에서 피도물은 두께 1.2mm, 가로 200mm, 세로 250mm 규격의 KS F 3101 보통 합판을 사용하였다.
조건 단위 실시예1 비교예1 비교예2 비교예3
건조도막두께 (DFT) ㎛ 260 230 457 269
도장횟수 (붓) 회 2 2 4 2
하도건조도막두께 ㎛ - 82 - -
건조시간
(외기온도 33℃)		 횟수간 지촉건조 min 15 20 16 16
고화건조 min 25 30 40 25
상도 횟수간 도장간격 시간 min 30~40 40 60 40
* 비교예1에서 하도건조도막은 속건 방청 프라이머를 통해 형성
<건조도막 형성 후 일사반사율 등 성능 측정>
상기와 같이 실시예 1, 비교예 1~3의 조성물을 통해 형성한 건조 도막을 [표 3]과 같이 각각의 시험규격을 통해 항목을 측정하였다.
실험항목 단위 시험규격 실시예1 비교예1 비교예2 비교예3
일사반사율(780~2100nm) % JIS-5602-2008 95.0 95.0 88.0 95.0
열전도율 w/mk KSM 3809 : 2006 0.03 0.03 0.027 0.03
부착성 B KSM ISO 2409 또는 ASTM 3359 5B 5B 4B 5B
내오염성 급 KSF 4737의 7.7 및 KSK 0910 5급 5급 4급 5급
방청성 (내열수분무) hr KSD 9502 300 300 300 300
습기투과성 (sd) m KSF 4715 : 2007 1.5 1.5 0.8 1.0
투수성 cm/hr KSF 2274 우수 우수 우수 우수
촉진
내후성		 시간 hr KSM ISO 4892-1
4892-2		 1200 1200 1200 1200
도막외관 1200hrs후 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음
근적외선 반사유지율 % KSM 5987 83 80 - 82
내세척성 회 KSM 5000의 3351 1000 1000 - 1100
<건조도막 형성 후 소화성능 측정>
가로 160mm, 세로 210mm, 높이 210mm의 플라스틱 재질로 되어 있고, 상면이 개방되어 있는 사각통 형태의 내부에 버너를 고정하고 점화하였다.
상기 실시예 1의 건조 도막이 형성된 일면을 개방되어 있는 상면을 덮어 버너의 불꽃이 상기 일면과 접촉하도록 하여 밀폐한 후, 버너의 불꽃이 밀폐된 상태에서 하기의 각 온도 및 시간을 측정했다.
여기에서 초기소화 자가감응온도는 디지털 온도계를 사용하여 버너의 불꽃이 상기 일면과 접촉하여 마이크로캡슐이 반응할 때의 온도를 측정한 것이다.
상기의 시험을 5회 진행하였고, 측정결과는 하기의 [표 4]와 같았다.
- 초기소화 자가감응온도: 버너의 불꽃이 밀폐된 상태에서 마이크로 캡슐이 감응한 온도
- 초기소화시간: 점화 후 마이크로 캡슐이 감응한 시점에서 불꽃(화염)이 사라지고 최초로 연기가 발생한 시점까지의 시간
- 재연소 억제시간: 불꽃이 꺼진 후 연기가 발생하지 않는 시간
실시예 1의 측정항목 단위 1회 2회 3회 4회 5회
초기소화자가감응온도 ℃ 150 145 165 155 155
초기소화시간 sec 8 7 9 8 8
재연소 억제시간 sec 15 13 16 15 15
상기 비교예 1 내지 3의 경우에는 화재를 소화시킬 수 있는 마이크로 캡슐을 포함하고 있지 않아, 상기 실시예 1의 소화 성능 시험의 측정항목에 해당하는 수치를 측정할 수 없었다.
본 발명의 단차열 및 초기 화재 진화용 외부 수성도료 조성물을 통해 형성된 건조도막은 평상 시 95% 이상의 일사 반사율 및 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 나타내는 뛰어난 단차열 성능을 확인할 수 있었고, 이러한 단차열 성능 뿐만 아니라 화재 발생 시에는 신속하게 마이크로 캡슐의 쉘부가 열폭주로 120~220℃에 도달하여 이 온도를 감지하여 8초 내에 녹아 터져 코어내의 소화물질이 분사되고, 소화물질이 15초 이내에 800℃에서 30℃로 냉각되어 재연소를 억제하는 것을 확인할 수 있었다.
반면 종래기술인 비교예 1 내지 3의 경우에도 95% 이상의 일사 반사율 및 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 나타내기는 했지만, 본 발명과 같이 마이크로 캡슐을 무공형 실리콘 폴리머 입자 및 중공형 세라믹 입자의 총 함량 대비 일정한 비율로 혼합하여 초기 화재 발생 시 신속하게 이를 진압할 수 있는 효과를 나타낼 수는 없다.
즉, 본 발명의 수성도료 조성물을 통해 약 95% 이상의 일사 반사율 및 0.03 W/m·K 이하의 열전도율을 보임과 동시에 우수한 초기화재 진압성능을 가지는 건조도막을 형성할 수 있다.
[참조 번호]
10 : 초기소화용 N-H 마이크로 소화캡슐
10a: 초기소화용마이크로캡슐층
20: 무공형 세라믹입자
20a: 무공형세라믹입자층(차열층)
30: 중공형 세라믹입자
30a: 중공형세라믹입자층(단열층)
40: 무기필러(소성마이크로알루미나+소성마이크로실리카+마이크로인산아연)
40a : 하도층
50 : 피도물
60 : 초기소화용 마이크로캡슐포함 외부용 단차열 도료도막
70: 초기 소화용 마이크로캡슐 코어부
80: 초기 소화용 마이크로캡슐 쉘부

Claims (4)

  1. 방청성 아크릴 에멀젼;
    차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼;
    무공형 실리콘 폴리머 입자;
    중공형 세라믹 입자; 및
    120~220℃에서 자가 온도 감응하는 코어-쉘 구조인 초기화재 소화용 마이크로 캡슐을 포함하되,
    무공형 실리콘 폴리머 입자와 중공형 세라믹 입자의 중량비는 0.6 : 1 ~ 1 : 0.6 으로 조절되고,
    전체 조성물 기준으로 상기 초기화재 소화용 마이크로 캡슐의 함량은 5~15 중량%로 조절되고,
    상기 소화용 마이크로 캡슐 : 상기 무공형 실리콘 폴리머 입자 및 상기 중공형 세라믹 입자의 중량비는 1:1 ~ 1:3으로 조절되고,
    상기 마이크로 캡슐의 코어부는 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4- heptafluoro cyclopentane)을 포함하고,
    상기 마이크로 캡슐의 쉘부는 멜라민-요소-포름알데히드 수지 (Melamine-ureaformaldehyde resin)를 포함하는 단차열 및 초기 화재 진화용 외부 수성도료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수성도료 조성물 전체 중량을 기준으로, 상기 방청성 아크릴 에멀젼의 함량은 30~40 중량%이고, 상기 차광성 불소 아크릴 공중합 에멀젼의 함량은 2~10 중량%이며, 상기 무공형 실리콘 폴리머 입자 함량은 10~15 중량%이고, 상기 중공형 세라믹 입자의 함량은 3~10 중량%인 단차열 및 초기 화재 진화용 외부 수성도료 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중공형 세라믹 입자는 소듐 보로실리케이트(Sodium borosilicate)로 구성되는 단차열 및 초기 화재 진화용 외부 수성도료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 퍼플루오로 2-메틸-3-펜타논(perfluoro 2-methyl-3-pentanone) 및 1,1,2,2,3,3,4-헵타플루오로 사이클로펜테인 (1,1,2,2,3,3,4-heptafluoro cyclopentane)의 중량 비율이 1:3~3:1인 단차열 및 초기 화재 진화용 내부 수성도료 조성물.
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