KR100559164B1 - 이산화티탄 광촉매가 코팅된 금속 판넬 및 그 제조방법 - Google Patents

이산화티탄 광촉매가 코팅된 금속 판넬 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염 방지(self-cleaning), 탈취, 공기정화 및 항균작용을 갖는 기능성 건축 내외장재로 사용될 수 있는, 이산화티탄 광촉매가 코팅된 금속 판넬 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
이산화티탄, 광촉매, 판넬, 코팅

Description

이산화티탄 광촉매가 코팅된 금속 판넬 및 그 제조방법{A metal panel coated with a photocatalyst containing titanium dioxide and a preparation method thereof}
도 1은 Staphylococcus aureus에 대한 본 발명에 따른 알루미늄 판넬의 항균 시험 결과를 나타내는 사진이다.
도 2는 Escherichia coli ATCC에 대한 본 발명에 따른 알루미늄 판넬의 항균 시험 결과를 나타내는 사진이다.
본 발명은 오염 방지(self-cleaning), 탈취, 공기정화 및 항균작용을 갖는 기능성 건축 내외장재로 사용될 수 있는, 이산화티탄 광촉매가 코팅된 금속 판넬 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄, 강철 및 스텐레스 스틸과 같은 금속으로 만들어진 판넬은 건축 내외장재로 흔히 사용되어 오고 있다.
금속 판넬이 건축 외장재로 사용될 경우, 자동차 매연이나 부유분진 등에 의해 표면 오염이 심하여 주기적으로 세척작업을 하여야 하나, 고층 건물 등에서는 그 세척이 어려울뿐만 아니라 소요비용도 막대하다. 건축 외장재 표면은 고착된 오염물질의 세정작업에 사용되는 연마제에 의하여 손상되어 오염이 더 심화되어 건축물의 미관을 크게 훼손시킬 수 있다. 금속 판넬이 건축 내장재로 사용될 경우, 그 표면이 먼지 등에 의해 오염될뿐 아니라, 세균, 곰팡이, 진드기 등이 증식되어 인간의 호흡기 질환 및 위생에 유해 요소로 작용하고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 최근에 이산화티탄 등의 광촉매가 코팅된 금속 판넬이 개발되어 왔으나, 사용된 이산화티탄 코팅액은 도포한 후 100℃ 이상의 고온에서 열처리를 해야 하거나, 코팅액에 분산되어 있는 이산화티탄 입자가 균질하지 않아서 도포후 금속 판넬에 형성된 코팅층의 투명도가 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 종래의 이산화티탄 코팅액의 pH가 강산성이여서 코팅 과정 등의 작업이 작업자에게 매우 유해하였다.
본 발명자들은 이와같은 종래의 이산화티탄 코팅된 금속 판넬 및 그 제조방법의 문제점을 해결하고자 연구를 계속한 결과, 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액이 코팅되어 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬을 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액이 코팅되어 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 투명한 이산화티탄 코팅층을 갖고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬의 제조방법으로,
금속 판넬에 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액을 도포하여 코팅층을 형성하고, 상온에서 건조하여 형성된 코팅층을 경화시키는 것으로 이루어지는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액이 코팅되어 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬이 제공된다.
본 발명에서 사용되는 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액은
나노미립자 형태의 이산화티탄이 1 ~ 5중량%로 분산되어 있고, 알코올기와 케톤기를 갖는 유기산, 알코올기와 아세테이트기를 갖는 유기산 및 이들의 염 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 안정화제 0.1중량% 이상, 상기 안정화제를 중화시킬 수 있는 양의 염기성 용액, 및 나머지로는 용매인 물 또는 알코올을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올과 같은 C1-C4의 저급 알코올이다.
상기 안정화제는 바람직하기는 글리콜릭산과 글리콜릭산 염, 글리콜릭산과 유사한 구조를 갖는 유기산과 그것의 염, 옥살릭산과 옥살릭산염, 또는 이들의 혼합물이다. 또한 상기 안정화제는 추가로 펜틴다이올, 알킬아세토아세테이트, 폴리에틸렌글리콜, 세틸트리메틸암모니움하이드록사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 트리알킬알코올 아민((RO)3N) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 안정화제의 첨가량은 안정화제의 분자량에 따라 달라질 수 있으며, 대체로 생성되는 이산화티탄 콜로이드 용액을 100중량%로 할때, 0.1중량% 이상이면 되는데, 0.1중량% 이하이면 안정화 작용이 충분하지 않아 입자가 커지게 된다. 바람직하게는 1~3중량%로 첨가하는 것이 좋은데, 3중량% 이상이면 비용이 많이 들게 된다.
상기 염기성 용액으로는 가성소다, 알칼리족 금속의 염기성 화합물, 암모니아, 알킬암모니움계의 염기성 화합물, 알칼리 토금속족 염기성 화합물, 또는 알루미늄 이온과 같은 다가 양이온성 염기성 화합물 등을 들 수 있다.
상기 이산화티탄 코팅액은 추가로 나노미립자 형태의 규소 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 지르코늄 산화물, 철 산화물 또는 이들의 혼합물을 이산화티탄 함량을 기준으로 50중량% 이하가 되도록 포함할 수 있다. 유기규소 산화물을 추가로 포함할 경우, 코팅액의 금속 판넬에 대한 밀착성은 더욱 향상된다.
본 발명에서 사용되는 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액의 제조방법은 본 발명자들이 기 출원한 특허출원 제2003-21092호의 명세서에 상세히 기재되어 있다.
요약하면, 사용되는 용매에 따라서,
A) 알코올 1 ~ 50중량%에 티탄화합물과 알코올기와 케톤기를 갖는 유기산, 알코올기와 아세테이트기를 갖는 유기산, 및 이들의 염으로부터 선택되는 안정화제 0.1중량% 이상를 순차적으로 첨가하여 녹여서 반응시키는 단계;
B) 반응된 용액을 교반하면서 증류수에 서서히 첨가하고 1시간 이상 교반하는 단계;
C) 생성된 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 6 ~ 8의 범위가 되도록 중화시키는 단계; 및
D) 상기 용액을 85℃ 이상의 온도에서 7시간 이상 가열하여 아나타제 구조를 갖고 10nm미만의 균일한 크기를 갖는 이산화티탄 미립자가 분산된 맑고 투명한 콜로이드 용액이 생성하는 단계로 이루어지고,
상기 단계 A)에서 티탄화합물과 안정화제는 어느 것을 먼저 넣어도 무방한 것을 특징으로 하는 중성 및 투명한, 수계 이산화티탄 코팅액의 제조방법과,
a) 알코올 50 ~ 90중량%에 티탄화합물과 알코올기와 케톤기를 갖는 유기산, 알코올기와 아세테이트기를 갖는 유기산, 및 이들의 염으로부터 선택되는 안정화제 0.1중량% 이상을 순차적으로 첨가하여 1시간 이상 교반하여 반응시키는 단계;
b) 생성된 용액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 6 ~ 8의 범위가 되도록 중화시키는 단계; 및
c) 상기 용액을 75℃ 이상의 온도에서 7시간 이상 가열하여 아나타제 구조를 갖고 10nm미만의 균일한 크기를 갖는 이산화티탄 미립자가 분산된 맑고 투명한 콜로이드 용액이 생성하는 단계로 이루어지고,
상기 단계 a)에서 티탄화합물과 안정화제는 어느 것을 먼저 넣어도 무방한 것을 특징으로 하는 중성 및 투명한, 알콜계 이산화티탄 코팅액의 제조방법으로 대별될 수 있다.
상기 방법들에서 바람직하게 사용되는 이산화티탄 화합물은 티타니움(Ⅳ) 이소프로폭사이드(테트라이소프로판올티탄), 티타니움(Ⅳ) 부톡사이드, 티타니움(Ⅳ) 에톡사이드 (티탄테트라에탄올레이트), 티타니움(Ⅳ) 메톡사이드, 티타니움(Ⅳ) 스티어레이트, 또는 이들의 혼합물이다. 이산화티탄 화합물은 코팅액에서 생성되는 나노미립자 형태의 이산화티탄이 1 ~ 5중량%의 농도가 되도록 환산하여 첨가한다. 이산화티탄 나노미립자 분산량이 1중량% 이하이면 코팅시 적절한 코팅층이 형성되지 않고, 5중량% 이상을 분산시킨 용액은 분산된 이산화티탄 나노 콜로이드가 응집되어 입자가 커질 수 있으므로 상기 분산범위가 적절하다.
필요에 따라, 이산화티탄 화합물과 함께 유기규소 화합물, 알루미늄 화합물, 지르코늄 화합물, 철 화합물 또는 이들의 혼합물을 첨가하여 반응시킬 수 있다. 유기규소 화합물 등은 생성된 콜로이드 용액내에서 분산된 TiO2 : SiO2 등의 비가 2:1 이하가 되도록 환산하여 첨가한다.
이산화티탄 코팅액의 제조방법에 관한 더 상세한 사항, 예를들면 각 단계에서의 조건, 제조예 및 제조된 코팅액의 특성 등은 특허출원 제2003-21092호의 명세서를 참조하여 당업자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 본 명세서에서는 수계 및 알코올계 이산화티탄 코팅액 각각의 제조예 하나씩 만을 하기 실시예에서 예시하기로 한다.
본 발명의 또 하나의 양태에 따라서, 투명한 이산화티탄 코팅층을 갖고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬의 제조방법으로,
금속 판넬에 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액을 도포하여 코팅층을 형성하고, 상온에서 건조하여 형성된 코팅층을 경화시키는 것으로 이루어지는 방법이 제공된다.
상기 도포 과정은 통상적으로 스프레이법을 사용하여 행한다. 코팅층의 두께는 1.0㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께가 1.0㎛을 초과하면 도막을 형성하여 코팅층이 쉽게 벗겨진다.
본 발명의 금속 판넬 및 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 금속 판넬은 초 친수성인 이산화티탄 코팅층을 갖게 되어, 셀프-크리닝 효과가 있어서 비가 올 경우 오염물질이 자연적으로 제거되며, 청소시 물만으로 가능하다. 또한, 코팅층에서 이산화티탄은 10nm미만의 균일한 크기를 갖는 미립자의 형태로 있어서, 코팅층이 투명할 뿐 아니라, 광촉매의 표면적이 넓게 되어 빠른 시간에 효율적으로 탈취, 공기정화, 항균작용 및 오염방지 작용을 수행할 수 있다.
실시예
제조예 1: 수계 코팅액 제조
100mL 에탄올에 175g 테트라이소프로판올티탄 및 TEOS (TetraEthoxySilane) 5g을 첨가하여 녹이고, 서서히 교반하면서 40% 사염화티탄 수용액을 5mL 첨가하여 가수분해 반응을 시켰다. 생성된 용액에 펜틴다이올 2mL와 글리콜릭산 6g을 첨가하여 충분히 반응시킨 후, 증류수 750mL에 상기 용액을 강력히 교반하면서 서서히 첨가하고, 완전히 첨가 후 약 1시간 정도 상온에서 교반을 지속했다. 이 용액에 3M 가성소다 수용액을 서서히 첨가하여 용액의 pH가 7이 되도록 조절했다. 이 용액을 85℃에서 7시간 가열하여 아나타제 구조를 갖는 이산화티탄 나노미립자(10nm 이하)가 분산된 투명하고 맑은 이산화티탄 콜로이드 용액을 생성하였다.
제조예 2: 알콜계 코팅액 제조
800mL 에탄올에 펜틴다이올 2mL와 글리콜릭산 6g을 첨가하여 녹인 후, 175g의 테트라이소프로판올티탄 및 TEOS (TetraEthoxySilane) 5g을 첨가했다. 이 용액 을 서서히 교반하면서 40% 사염화티탄 수용액을 10mL 첨가하여 가수분해 반응을 시켰다. 이때 매우 격렬한 발열반응이 진행되는데, 충분히 교반하면서 발열이 멈추는 시점까지 반응시켰다. 그리고 나서 3M 가성소다 수용액을 서서히 첨가하여 용액의 pH가 7이 되도록 조절한 후, 75℃ 이상의 온도에서 약 7시간 가열하여 아나타제 구조를 갖는 이산화티탄 나노미립자(10nm 이하)가 분산된 맑고 투명한 이산화티탄 콜로이드 용액을 생성하였다.
제조예 3: 이산화티탄 코팅된 알루미늄 판넬 제조
제조예 1에서 제조된 이산화티탄 콜로이드 용액을 1.3mm 크기의 다홀의 와류형 노즐이 장착된 스프레이로, 4Kg/cm2의 콤프레서 압력하에, 알루미늄 판넬 (KAM PPIN PAINT WORKS LTD.)으로부터 0.5 ~ 1m 거리를 두고 1 ~ 2회 분사하여 그 표면에 이산화티탄 코팅층을 형성한 후, 상온에서 2시간 이상 건조시켰다.
실시예 1: 항균 시험
제조예 3에서 제조된 이산화티탄 코팅된 알루미늄 판넬의 항균작용을 KATRI (Korea Apparel Testing & Research Institute)에 의뢰하여 AATCC TM147에 따라서 시험케 한 후 그 시험 결과 사진을 취하여 도 1 및 도 2에 나타내었다. 이 시험에 사용된 균은 Staphylococcus aureus (ATCC 6538) 및 Escherichia coli (ATCC 25922)였다.
도 1 및 도 2의 사진에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 알루미늄 판넬은 우수한 항균작용을 가졌다.
실시예 2: 탈취(deodorization) 시험
제조예 3에서 제조된 이산화티탄 코팅된 알루미늄 판넬의 탈취 작용을 가스 검지관법으로 암모니아(NH3) 가스에 대해 행하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1
시험 기간 탈취율(%)
30분 후 60분 후 90분 후 120분 후 99.6 99.6 99.8 99.8
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 알루미늄 판넬은 우수한 탈취 작용을 가졌다.
본 발명에 따른 이산화티탄 코팅된 금속 판넬은 투명하고 광촉매 활성이 우수하여, 셀프-크리닝, 탈취, 공기정화, 항균작용 및 오염방지 작용을 수행할 수 있는 다기능성 건축 내외장재로 사용될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 이산화티탄 코팅된 금속 판넬의 제조방법은 사용되는 코팅액이 중성이여서 작업환경이 우수하고 또한 상온에서 경화되므로 열처리 없이 단지 건조시키는 것만으로 작업이 이루어지므로 그 과정이 매우 간략하게 된다.

Claims (7)

  1. 나노미립자 형태의 TiO2가 1~5중량%로 분산되어 있고, 글리콜산, 글리콜산 염, 옥살산, 옥살산염, 펜탄디올, 펜탄디온, 부탄디올, 부탄디온, 알킬아세토아세테이트, 폴리에틸렌글리콜, 세틸트리메틸암모늄하이드록사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 트리알킬알코올 아민 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 안정화제 0.1 ~ 3중량%, 조성물의 pH가 6 ~ 8이 되도록 첨가되는 염기성 용액, 및 나머지로는 용매인 물 또는 알코올을 포함하는 중성의 투명한 상온경화형 이산화티탄 코팅액으로 표면이 코팅되어 있고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이산화티탄 코팅액은 추가로 나노미립자 형태의 규소 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 철 산화물 또는 이들의 혼합물을 이산화티탄 함량을 기준으로 최대 50중량%가 되도록 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 판넬.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 금속은 알루미늄, 강철, 또는 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 금속 판넬.
  6. 투명한 이산화티탄 코팅층을 갖고, 오염방지, 탈취, 공기정화 및 항균 작용을 갖는 금속 판넬의 제조방법으로,
    금속 판넬에 이산화티탄 코팅액을 도포하여 코팅층을 형성하고, 상온에서 건조하여 형성된 코팅층을 경화시키는 것으로 이루어지고,
    상기 이산화티탄 코팅액은 나노미립자 형태의 TiO2가 1~5중량%로 분산되어 있고, 글리콜산, 글리콜산 염, 옥살산, 옥살산염, 펜탄디올, 펜탄디온, 부탄디올, 부탄디온, 알킬아세토아세테이트, 폴리에틸렌글리콜, 세틸트리메틸암모늄하이드록사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 트리알킬알코올 아민((RO)3N) 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 안정화제 0.1 ~ 3중량%, 조성물의 pH가 6~8이 되도록 첨가되는 염기성 용액, 및 나머지로는 용매인 물 또는 알코올을 포함하는 것인 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 도포는 스프레이법으로 행하고, 코팅층의 두께는 1.0㎛ 이하로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
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