KR20210101023A - 최첨단 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 소재와 석재 뿐만 아니라 합성수지계열의 모재 표면에도 부착 가능하도록 부착성이 향상되고 세라믹 도막제로서 불연성이 향상되며 상온에서도 경화 가능한 저온 경화 특성을 가지며 표면 광택도를 향상시킬 수 있으며 친환경적으로 그 구조가 개선된 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물 및 이를이용한 도료 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

Description

불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물 및 이를 이용한 도료 조성물의 제조방법{Low temperature curing water-soluble ceramic coating composition and manufacturing methods using the same}

본 발명은 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물에 관한 것으로, 특히 금속 소재와 석재 뿐만 아니라 합성수지계열의 모재 표면에도 부착 가능하도록 부착성이 향상되고 세라믹 도막제로서 불연성이 향상되며 상온에서도 경화 가능한 저온 경화 특성을 가지며 표면 광택도를 향상시킬 수 있으며 친환경적으로 그 구조가 개선된 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물 및 이를 이용한 도료 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 모르타르, 콘크리트, 석재 건축물의 외벽 및 내벽에는 도료가 사용되는데, 최근에는 미관 개선이라는 기본적인 역할 이외에 특수한 기능을 가진 도료가 요구되고 있는데, 그 중 화재 시 인명보호를 위해 내화도료가 주목을 받고 있다.

내화도료는 화재의 확산을 방지하고 건축물의 구조와 성능을 일정시간 유지시켜 인명을 구조할 수 있는 제공하기 위해 사용되는 도료로서, 고온에서 균열, 연화, 박리 및 열변형이 되지 않아야 한다.

대한민국 특허공개 제1989-0010138호에는 메탈실리케이트를 주재료로 하는 발포성 내화무기질 방화재에 대한 기술이 개시되어 있는데, 이와 같은 조성물의 경우 메탈실리케이트의 내열성에 한계가 있어 약 600℃이상의 고온 하에서는 도막이 용융되어 아래로 흘러내리는 문제가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 공개특허공보 제2005-0070809호에는 무기계 규산염계 수지를 사용하여 600℃이상의 고온에서도 내화성능을 가진 내화도료이 개시되어 있다. 하지만, 개시된 조성물은 내수성이 불량하고 피도물과의 부착성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 제784738호에는 유성 스타이렌 변성 아크릴을 사용하여 건조가 빠르고 내후성이 우수하며 발포 탄화층의 탈리 현상이 없는 내열도료이 개시되어 있다. 하지만, 개시된 조성물 역시 모재와의 부착성이 떨어질 뿐만 아니라, 도막의 내구성이 부족하고 특히 유기용제를 함유하고 있어 도막의 연소 시 인체에 유해한 가스가 방출되는 문제가 있다.

기존 수용성 세라믹 도료과 관련된 종래 또 다른 선행기술로는 한국 등록특허공보 제10-1514938호 "수용성 세라믹 불연도료의 제조방법"(등록일자 : 2015.04.18)에 개시된 바와 같이, (a)테트라메톡시실란 20~30 중량%와, 멜라민 10~14 중량%를 혼합한 용액에 인산염 0.3~0.7 중량%를 첨가한 상태에서 70~90로 5시간 동안 숙성하는 단계; (b)상기 숙성된 용액에 암모니아 0.3~0.7 중량%를 혼합하여 PH를 7~8로 조정하고, 증류수 15~25 중량%를 첨가하여 수화하는 단계; (c)상기 수화된 용액에 티타늄 테트라이소프로폭사이드 6~10 중량%를 첨가한 상태에서 50~60℃로 4시간 동안 숙성하는 단계; (d)상기 숙성된 용액에 암모니아 0.1~0.3 중량%를 혼합하여 PH를 12~13으로 조정하는 단계; 및 (e)상기 PH 조정된 용액에 금속산화물로 이루어지는 안료 15~25 중량%, 플라스타(Plaster) 12~16 중량%을 첨가한 혼합액을 분산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것이다.

그런데, 기존 수용성 세라믹 도료는 금속이나 콘크리트 등의 표면에는 부착성이 우수하지만 화장품 용기 등의 합성수지 계열에는 부착성이 저하되는 단점이 있다.

상기한 도료 부착성을 향상시키기 위해 경화온도를 상승시킬 경우에는 화장품 용기 등의 합성수지 계열의 소재가 고온에 취약한 단점이 있으므로, 적용하기 어려운 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제1989-0010138호 "발포성 무기질 조성물" 대한민국 공개특허공보 제2005-0070809호 "발포성 내화도료" 대한민국 등록특허공보 제784738호 "내화성능을 갖는 고밀도 유성계 발포성 내화도료 및 그의 도장방법"

본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 금속 소재와 석재 뿐만 아니라 합성수지계열의 모재 표면에도 부착 가능하도록 부착성이 향상되고 세라믹 도막제로서 불연성이 향상되며 상온에서도 경화 가능한 저온 경화 특성을 가지며 표면 광택도를 향상시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 콜로이드 실리카 35~40중량%, 탈크 9.5~17.0중량%, 에틸 알코올 10~20중량%, 증류수 10~15중량%, 게르마늄 분말 0.3~5.5중량%, 레벨링제 0.1~2.0중량%, 메틸 트리 메톡시 실란 20~25중량%, 용매제 0.1~1.0중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 콜로이드 실리카는 PH 7.5~8.5의 농도를 갖는다.

상기 콜로이드 실리카는 36.0중량%이고, 탈크는 20.0중량%이며, 메틸 트리 메톡시 실란이 22.7중량%인 것이다.

상기 레벨링제는 폴리실록산이고, 상기 용매제는 구연산인 것이다.

본 발명의 다른 특징적인 요소로는 상기한 도료 조성물을 교반기 내에 투입하고 상기 교반기의 회전속도를 100~1350rpm의 속도로 5~30분간 교반하며, 상기 교반기 내에서 교반중인 도료 조성물의 온도를 35~85℃의 온도로 유지시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물은 합성수지 계열의 모재의 용융점보다 낮은 온도로 가열하더라도 경화가 이루어지고, 상온의 저온에서도 경화가 이루어지게 되어 합성수지 계열의 모재에 적용할 수 있으며 불연성이 향상되어 호환성을 향상시킬 수 있는 유용한 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 세라믹 도막제로서의 불연성이 향상되며 모재와의 부착성을 향상시키고 도막 표면의 매끄러움과 광택도를 향상시킬 수 있으며, 인체에 유익한 친환경 도료의 이점을 갖는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물은, 콜로이드 실리카 35~40중량%, 탈크 9.5~17.0중량%, 에틸 알코올 10~20중량%, 증류수 10~15중량%, 게르마늄 분말 0.3~5.5중량%, 레벨링제 0.1~2.0중량%, 메틸 트리 메톡시 실란 20~25중량%, 용매제 0.1~1.0중량%로 이루어진다.

상기 콜로이드 실리카(colloid silica; 일명 실리카졸)은 음전하를 띠는 무정질 실리카(Si0₂) 미립자가 수중에서 콜로이드 상태를 이루며, 구형의 실리카 미립자구조를 갖는다.

여기서 상기 콜로이드 실리카는 열에 잘 견디도록 불연성이 우수한 세라믹 도막제로서의 기능을 수행하게 된다.

상기 에틸 알코올(ethylalcohol)은 C₂H₅OH의 화학식을 가지며, 여기서는 저온에서 휘발될 경우 모재 주변의 경화 온도를 낮추게 되어 본 발명 수성 세라믹 도료 조성물의 저온 경화 특성을 보조하는 기능을 수행하게 된다.

상기 증류수는 PH농도 수치조절 기능을 수행하게 된다.

상기 게르마늄 분말은 친환경적이고 인체에 유익한 성분으로 작용하게 되며, 전체 총 중량에 대해 0.3중량% 미만시에는 그 효과를 기대하기 어렵고, 5.5중량%를 초과할 경우에는 혼합이 어렵고 표면 크랙이 용이하게 발생할 우려가 있다.

상기 레벨링제는 수성 세라믹 도료의 표면 레벨링을 통해 표면 조도를 조절하는 기능을 수행하게 된다.

상기 레벨링제는 폴리실록산(polysiloxane ; 일명 실리콘)을 채용할 수 있다.

상기 메틸 트리 메톡시 실란(MTMS : Methyltrimethoxysilane)은 수계반응 촉진제로서, 광택도를 향상시키기 위한 것이다.

상기 용매제는 열에너지 촉진제 및 용매제 기능을 갖는 구연산(Citric Acid)을 채용한다.

상기 콜로이드 실리카는 전체 총 중량에 대하여 35.0 중량% 미만시 불연 성능이 저하되고, 40.0중량% 초과시에는 부착성이 저하되는 단점이 있다.

또한, 탈크는 불연성을 향상시키기 위해 첨가되는 성분으로서, 전체 총 중량에 대해 9.5중량% 미만일 경우에는 불연성이 저하되고, 17.0중량%를 초과할 경우에는 색상이 불투명해지고 부착성이 저하될 우려가 있다.

상기 에틸 알코올은 전체 총 중량에 대하여 1.0중량% 미만시에는 저온 경화 특성을 발휘하기 어렵고, 이와 반대로 20.0중량% 초과시에는 부착성이 저하되고 농도가 묽어져 점성이 약화되며 불연성이 저하될 우려가 있다.

상기 증류수는 전체 총 중량에 대하여 3.0중량% 미만시에는 PH 농도가 산성화되기 쉬워 PH농도를 중성으로 조절하기 어렵고, 이와 반대로 15.0중량% 초과시에는 전체 농도가 묽어져 점성이 약화되는 단점이 있다.

상기 레벨링제인 폴리실록산은 전체 총 중량에 대하여 0.1중량% 미만시 표면 조도 조절이 어려워 표면 거칠기 조절이 어렵고, 3중량% 초과시에는 표면이 매끄러운 반면에 부착성이 저하되는 단점이 있다.

상기 수계반응 촉진제인 메틸 트리 메톡시 실란은 전체 총 중량에 대하여 20.0중량% 미만시 광택도가 저하될 우려가 있으며, 이와 반대로 25.0중량% 초과시 도료 표면에 크랙이 발생하고 박리현상이 심해지며 부착성이 저하될 우려가 있다.

상기 용매제인 구연산은 전체 총 중량에 대하여 0.1중량% 미만시 용매제 역활을 수행하기 어렵고, 1.0중량% 초과시 경화가 발생하여 굳어질 우려가 있다.

상기 콜로이드 실리카는 PH 7.0~9.0의 중성 농도를 가지며, 더 바람직하게는 7.5~8.5의 PH농도를 갖는 것이다.

상기 폴리실록산과 메틸 트리 메톡시 실란 및 구연산이 산성이므로, 콜로이드 실리카 및 증류수를 이용하여 본 발명 도료의 PH농도를 중성 수치로 조절한다.

PH농도가 산성 수치에 비해 높을수록 수소이온의 농도가 높아지고 활성화가 양호한 상태를 유지하게 되고 도막의 광택도에 영향을 주므로 중성 수치를 유지하도록 한다.

상기한 콜로이드 실리카 및 탈크는 불연성을 향상시키기 위한 것이고, 메틸 트리 메톡시 실란은 광택도 및 표면 부착성을 향상시키기 위한 것으로서, 바람직하게는 상기 콜로이드 실리카는 36.0중량%이고, 탈크는 15.0중량%이며, 메틸 트리 메톡시 실란이 22.7중량%을 갖는다.

상기한 도료 조성물 성분들을 제조하는 방법은 상기한 도료 조성물을 구성하는 성분들을 교반기 내에 투입하고 상기 교반기의 회전속도를 100~1350rpm의 속도로 5~30분간 교반하며, 상기 교반기 내에서 교반중인 도료 조성물의 온도를 35~85℃의 온도로 유지시키면서 교반하게 된다.

상기 교반온도가 35℃ 미만이고 교반속도가 100rpm 미만일 경우에는 각 성분들이 골고루 교반되지 못하고 교반시간이 오래 걸리게 되며, 85℃ 초과시에는 에틸 알코올의 휘발성으로 인해 과열될 우려가 있고 30분 이상 1350rpm 초과시에는 불필요한 에너지가 낭비되고 교반기 모터에 과부하가 발생할 우려가 있다.

본 발명에 따른 실시예를 비교예 1,2를 비교한 결과는 아래의 표 1에서와 같다.(100g 기준)

구분	콜로이드 실리카	탈크	에탄올	증류수	게르마늄 분말	폴리실록산	메틸 트리 메톡시 실란	구연산
비교예 1	45	0	1.8	2.0	0	0.2	50.0	1.0
비교예 2	40.0	0	5.8	4.0	0	0.2	49.0	1.0
실시예	36.0	15.0	11.0	10.0	4.1	0.2	22.7	1.0

상기한 표 1에서와 같이 비교예1,2에서 실시예보다 메틸 트리 메톡시 실란의 비중을 늘리고 에탄올의 비중을 줄인 결과, 비교예1에서는 도막이 벗겨지는 박리현상이 발생하게 되고 실시예에 비해 부착력이 상대적으로 대폭 저하되는 단점이 발생하였고, 비교예2에서는 도막이 일부 벗겨지고 실시예에 비해 부착성이 다소 저하되었다.

상기 실시예를 참조로 본 발명의 저온 경화형 세라믹 도료는 상온에서 10~14시간 내에 경화되고, 80~90℃로 가열할 경우 3~5분 내에 경화되었다.

따라서, 본 발명의 도료는 상온에서 자연 건조시키거나, 90℃이하의 온도로 가열하여 경화시킬 수 있다.

상기 가열온도를 90℃를 초과하는 온도로 지속적으로 가열할 경우에는 모재(합성수지계열의 경우)의 용융점을 초과하여 모재가 녹아버리거나, 도막의 표면 평탄도가 저하되거나 광택도에 악영향을 줄 수 있다.

즉, 본 발명의 도료는 상온~90℃의 가열 조건에서 경화가 발생하게 되고, 가열온도가 높아질수록 경화에 필요한 시간이 단축되는 특성을 갖는다.

상기한 배합 비율로 조성된 실시예는 비교예1,2와 비교할 때, 부착성이 향상되고, 상온에서도 경화가 이루어지게 됨에 따라 목재나 금속재 등의 표면에도 적용할 수 있게 되어 도료의 범용성이 향상되는 이점을 갖는다.

또한, 본 발명의 도료 조성물에 대한 부착성 테스트는 20cm x 20cm 크기의 시멘트 보드에 0.1kg/㎡의 양으로 본 발명의 도료 조성물을 균일하게 도포하여 7일간 상온에서 경화시켜 시편을 제작하였으며, 경화된 시편을 KS F 4936 “콘크리트 보호용 도막재”의 시험방법에 의거하여 부착강도를 평가하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

(불연성 평가)

상기 실시예 및 비교예1,2의 도료 조성물을 각각 25cm × 20cm× 2cm 크기의 폴리우레탄 시트에 도막 건조 두께가 1㎜±0.02㎜이 되도록 도포하고 경화하였다.

이후에 부탄가스 캔에 부착한 토치에서 토출되는 950~957℃의 강력한 화염을 수직 방향으로 접촉시키고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	부착강도(N/㎟)	불연성
비교예1	1.3	×
비교예2	1.4	△
실시예	2.5	○

◎ : 불연성 도막이 화염에 의하여 연소되어 꼬불꼬불한 융기된 탄화수지-흑연 복합체가 치밀한 방화층을 형성할 뿐 화염 접촉후 1분 동안 폴리우레탄 폼 본체의 외관상에는 변화가 없으며 폴리우레탄의 온도 증가는 6℃ 미만일 경우.

○ : 불연성 도막이 화염에 의하여 연소되어 꼬불꼬불한 융기된 탄화수지- 흑연 복합체가 치밀한 방화층을 형성할 뿐 화염 접촉후 1분 동안 폴리우레탄 폼 본체의 외관상에는 변화가 없으며 폴리우레탄의 온도 증가는 6℃ 이상 15℃ 미만인 경우.

△ : 불연성 도막이 화염에 의하여 연소되어 꼬불꼬불한 융기된 탄화수지-흑연 복합체가 치밀한 방화층을 형성할 뿐 화염 접촉 후 1분 동안 폴리우레탄 폼 본체의 외관상에는 변화가 없으며 폴리우레탄의 온도 증가는 15℃이상 40℃ 미만인 경우.

× : 불연성 도막이 화염에 의하여 연소되어 꼬불꼬불한 융기된 탄화수지-흑연 복합체가 치밀한 방화층을 형성하지만 화염 접촉후 1분 동안 폴리우레탄 폼 본체가 변형되기 시작하며 폴리우레탄의 온도 증가는 40℃ 이상인 경우.

상기의 표 2에서와 같이, 본 발명의 실시예가 비교예1,2에 비해 부착성 및 불연성이 우수함을 알 수 있다.

기존 도료가 코팅되는 모재가 합성수지이고 도료의 경화를 위해 130℃ 이상의 온도로 가열하여 도료를 경화시킬 경우에는 경화 온도에 도달함에 따라 모재가 용융되어 경화가 불가능한 단점이 있으나, 본 발명의 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물은 합성수지 계열의 모재의 용융점보다 낮은 온도로 가열하더라도 경화가 이루어지고, 상온의 저온에서도 경화가 이루어지게 되어 합성수지 계열의 모재에 적용할 수 있는 유용한 이점을 갖는다.

이때, 본 발명 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물은 PH농도가 중성이고 휘발성 성분인 에틸 알코올이 함유됨에 따라 상온 이상의 저온에서도 경화가 이루어지게 된다.

또한, 본 발명 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물은 부착성이 우수하면서 불연성이 향상됨과 아울러, 인체에 유익한 친환경 도료의 이점을 갖는다.

상기 에틸 알코올은 경화를 위한 가열시 휘발되면서 주위 온도를 낮추는 특성을 가지고 있으므로, 용융점이 낮은 ABS 수지와 같은 열가소성 수지 소재에도 본 발명의 도료를 적용할 수 있는 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 적정 배합 비율을 갖는 에틸알코올, 증류수, 폴리실록산 및 메틸 트리 메톡시 실란을 이용하여 모재와의 부착성을 향상시키고 도막 표면의 매끄러움과 광택도를 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 앞서 설명된 실시 예에 국한되어 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 이상에서와 같이 설명한 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

1. 콜로이드 실리카 35~40중량%, 탈크 9.5~17.0중량%, 에틸 알코올 10~20중량%, 증류수 10~15중량%, 게르마늄 분말 0.3~5.5중량%, 레벨링제 0.1~2.0중량%, 메틸 트리 메톡시 실란 20~25중량%, 용매제 0.1~1.0중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 콜로이드 실리카는 PH 7.5~8.5의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 콜로이드 실리카는 36.0중량%이고, 탈크는 15.0중량%이며, 메틸 트리 메톡시 실란이 22.7중량%인 것을 특징으로 하는 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 레벨링제는 폴리실록산이고, 상기 용매제는 구연산인 것을 특징으로 하는 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물.
5. 청구항 1의 도료 조성물을 교반기 내에 투입하고 상기 교반기의 회전속도를 100~1350rpm의 속도로 5~30분간 교반하며,
   상기 교반기 내에서 교반중인 도료 조성물의 온도를 35~85℃의 온도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 불연성 저온 경화형 수성 세라믹 도료 조성물의 제조방법.