KR100654299B1 - 방오성 기능성 세라믹 코팅 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화티탄 및 실리카를 주성분으로 하는 기능성 세라믹 코팅용액으로 철재, 타일, 유리등에 부착하는 기름분 같은 더러움을 정전기 반발 효과로 제거하는 것으로, 일반 광촉매와는 달리 유리 접합부분에 사용되는 실리콘이나 고무 등에서 발산되는 먼지도 제거한다.

본 발명은 비정질의 산화티탄 졸용액, 규산염(SiO₃),콜로이드실버용액으로 구성된 비정질 산화티탄을 함유하는 콜로이드실버용액을 질산수용액으로 pH를 2.5~3이 되도록 조정한 후, 저급알콜을 용매로한 산화규소용액을 첨가하여 중축합함으로서 방오성의 기능성세라믹 코팅막을 제공한다.

산화티탄, 실리카, 세라믹 코팅

Description

방오성 기능성 세라믹 코팅 조성물{Antifouling Functional Ceramic Coating Composition}

도 1. 본 발명의 기능성 세라믹조성물을 도포하여 6개월 운행한 자동차의 휠.

도 2. 본 발명의 기능성 세라믹조성물을 도포하여 15일간 운행한 자동차 휠.

도 3. 본 발명의 조성물을 사용하지 않고 6개월 운행한 자동차 휠.

도 4. 본 발명의 조성물을 사용하지 않고 15일간 운행한 자동차 휠.

본 발명은 예를 들면 플라스틱, 금속, 글라스, 타일, 철제 등에 부착하는 기름분 같은 더러움을 정전기 반발 효과로 제거하는 기술로 일반 광촉매와는 달리 유리 접합부분에 사용되는 실리콘이나 고무 등에서 발산하는 먼지도 제거해 준다.

더구나 페인트 같은 유기물의 표면 위에 직접 도포하거나 빌딩 외벽이나 창유리, 토목건축용 볼트 또는 너트, 판넬 등 여러 제품들의 더러움 방지에 사용한 다. 그리고 철재, 타일, 유리면에 도포하면 양의 전하를 띄도록 하였다. 세라믹, 링그리트, 나무, 돌 및 이들의 조합으로 된 적층체 또는 그 재료로 구성된 건물의 외장, 창틀, 자동차, 철도차량, 항공기 등과 같은 운송체, 카트레일, 차단벽, 가로등, 각종 표식의 외장 및 도장을 위한 광촉매성 코팅제 조성물에 관한 것이다.

건축자재의 더러움을 제거하는 기술은 자외선이 닿으면 유기물을 물과 이산화탄소로 분해되는 반응을 재촉하는 산화티탄을 활성화한 광촉매가 실용화되어 있다. 다만, 광촉매는 유리 등의 접합부에 사용하는 실리콘과 고무에 함유되는 분해하기 어려운 발수성분이 확산되어 표면에 부착, 더러움이 쌓이는 문제가 있어 이를 해결할 수는 없었다.

더욱이 광촉매는 페인트 등의 유기물의 기반에 직접 닿을 경우 기반까지 분해되어 버리기 때문에 그 대상이 타일 같은 무기물에 한정되거나 유기물의 건자재 기반과 광촉매사이에 중간층을 만들 필요가 있었다.

아울러 광촉매 분해기술은 장기간의 시간을 요하고 더러운 오염물질을 흘려서 제거해야 하므로 빗물 등의 힘을 빌리지 않으면 안된다.

오염의 원인물질은 카본블랙에 의한 연소 생성물 및 도시매연, 점토입자 등의 무기물질 등이고, 이와 같은 원인물질의 다양성이 오염을 방지하기 위한 대책을 복잡하게 하고 있는 것이다. 종래의 통념으로는 건축 외장 등의 오염을 방지하기 위해서는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 발수성의 도료가 바람직하게 고려되어 졌지만, 최근에는 친유 성분을 다량 함유하는 도시매연에 대해서 코팅막의 표면을 가능하면 친수성으로 하는 것이 바람직하게 간주되고 있다. 여기에서 친수성의 그 라프트 폴리머로 건물을 도장하는 것이 제안되고 있다. 이와 같이 그라프트 폴리머의 도장은 물과의 접촉각이 30∼40°의 친수성을 지닌다. 그러나 점토광물로 대표되는 무기 매체의 물과의 접촉각은 20∼50°가 된다. 물과의 접촉각이 30∼40°의 그라프트 폴리머의 코팅막에 대해서는 친화성을 지니고 이 표면에 부착된다면 이 그라프트 폴리머의 코팅막은 무기 매체에 의한 오염을 방지할 수 없다고 사료된다.

한편 콜로이달 실리카와 유사하게 높은 몰비율 및 높은 SiO₂ 농도를 지니게 되면, 즉 높은 몰비의 규산알칼리 수용액을 상기의 광촉매성 코팅제 조성물의 성분으로써 사용한다면 코팅막의 강도, 밀착강도가 향상된 막을 얻을 수 있고 이와 같은 막에 적정한 친수성을 부여한다면 상기한 제 문제를 한번에 해결할 수 있는 가능성을 지니는 것이다. 따라서 SiO₂ 농도를 증가시킨 규산알칼리 수용액을 사용하는 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 광촉매에 비해 항균효과가 낮지만 아몰퍼스(무정)형 산화티탄을 사용하기 때문에 한번 용액으로 도포하면 반영구적으로 내식성, 내마모성, 방오효과가 탁월하게 지속되는 신규한 기능성 세라믹 조성물을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 자동차 도장, 휠, 도금층보호, 방열판, 금속제품(예를 들면 철, 알루미늄, 주석, 스텐레스 등) 에 코팅하여 사용함으로써 장기 사용 시에도 방오성이 우수한 코팅층을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 신규한 세라믹 조성물 및 제조방법을 채택함에 따라 통상의 세라믹 코팅조성물보다 더욱 고농도의 기능성 세라믹 코팅조성물을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과, 본 발명은 주성분으로서 TiO₂, SiO₂, SiO₃ 및 Ag⁺로 구성되는 신규한 기능성 세라믹 코팅조성물을 발명함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명에서 상기 기능성 세라믹 코팅조성물은 무정형(amorphous)의 20중량%의 TiO₂졸용액 5~20중량%, 규산염(SiO₃) 1~15중량%, 1~10중량%의 콜로이드 실버수용액 70 ~ 90중량%, 좋게는 80~90중량%를 기본 성분으로 하여 구성된 산화티탄콜로이드 실버용액과 저급알콜용액 40 ~ 60중량%에 무기질의 바인더로서 산화규소(SiO₂)를 40 ~ 60중량%의 졸로 구성되는 이산화규소 바인더 용액으로 구성된다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅 조성물은 상기 산화티탄콜로이드 실버용액 40 ~ 60 중량%와 상기 이산화규소 바인더용액 60 ~ 40 중량%로 이루어진다.

본 발명에 있어서 사용되는 TiO₂로서는 무정형 산화티탄이나, 상기 무정형 산화티탄을 100℃ 이상의 온도로 가열하는 것에 의해 제조되는 광촉매 산화티탄을 사용하는 것이 좋다. 상기 TiO₂는 입자의 크기가 1∼20nm, 특히 바람직하게는 5 ∼15nm의 것이 적합하다.

특히 무정형 산화티탄의 졸용액은 광촉매보다는 항균효과가 낮지만 비정질의 무정형질이어서 한번 도포함으로써 반영구적으로 내식성, 내마모성, 방오효과를 가지는 등의 탁월한 효과를 가진다. 비정형질의 산화티탄의 경우 20중량%의 비정질 티타늄옥시드 수용액 졸의 함량이 5중량%이하를 사용하는 경우 본 발명에서 목적으로 하는 상기의 특징적 효과를 달성하기가 어렵고, 20중량% 이상 사용하는 경우에는 코팅조성물의 안정성이 열세로 나타났다. 무정형 산화티탄은 밀착성이 우수하고 막을 형성하는 성질이 높으며 균일하게 플레이트 등의 박막을 완성시킬 수 있다. 또한 건조피막은 물에 녹지 않는 성질 이외에도 광촉매에 대해서 안정한 특성을 지니는 것이다.

본 발명에 사용하는 규산염(SiO₃)은 본 발명의 코팅조성물에서 방청제로 사용하는 원료로서, 상기의 적절한 함량은 전체 조성물의 1~15중량%를 사용하며, 좋게는 3~10중량%를 사용하는 것이 좋다. 상기 범위를 벗어날 경우에는 방청성이 열세이거나 분산성이 열세이거나 하여 품질에 나쁜 영향을 미친다.

본 발명에서 사용하는 콜로이드 실버수용액은 1~10중량%의 콜로이드 실버수용액으로 전체 세라믹 코팅조성물에 대하여 70~90중량% 좋게는 80~90중량%를 사용한다.

본 발명의 콜로이드 실버수용액은 음극과 양극에 은판을 접착한 후, 일정한 전압 및 시간, 예를 들면 12볼트로 60분간 전기분해가 일어나도록 하여 은이온이 수용액중에 녹아들게 하여 제조한다. 은판에서 소실된 무게를 측정하여 은이온의 수용액내의 농도를 결정하므로, 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명의 은이온의 농도가 본 발명의 범위 이하의 경우에는 충분한 농도와 충분한 방오성을 보여 주시 못하며, 은이온의 농도가 본 발명의 범위를 넘을 경우에는 더 이상의 효과의 상승이 있지 않아 적합하지 않다. 또한 은 이온을 사용함에 따라 살균성이 배가되어 코팅표면에 균에 의한 부식이나 부패 등을 방지하는 역할도 한다.

또한 본 발명의 이산화규소 바인더용액에서 사용되는 용매는 이소프로판올, 에탄올, 프로판올에서 선택되는 저급알콜인 것이 바람직하다. 사용량은 40 ~ 60 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.

무기질의 바인더로 사용되는 산화규소는 40 ~ 60 중량%를 사용하는 것이 바람직한데, 본원 발명의 범위보다 작은 경우에는 많은 양의 바인더용액을 사용하여야 하는 불편과 충분한 내스크레치성을 확보하지 못하는 단점이 있고, 본 발명의 범위를 초과하는 경우는 점도가 지나치게 높아 균일한 혼합이 어렵고 코팅층의 두께가 두꺼워져 취급하기 곤란한 단점이 있다.

또한 본 발명의 광촉매성 코팅제 조성물은 아몰포스형 산화티탄과 규소산화물 및 자외선 차단기능 또는 정전기 방전 방지기능을 지닌 유전체 세라믹스 재료 등 도전성 세라믹스 재료를 필요에 따라 함유시키는 것도 가능하다. 이와 같은 성 분은 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위에서 임의적으로 사용할 수 있는 것이고 그 사용량은 성분의 성질 사용목적에 따라 변화될 수 있다.

본 발명의 기능성 세라믹 조성물의 제조방법은 먼저 무정형 산화티탄의 졸 용액에 규산염을 혼합하면서 천천히 가하여 섞어준 후, 여기에 콜로이드 실버용액을 서서히 첨가하며, 첨가가 완료된 후, 질산용액을 이용하여 pH를 2.5 ~ 3으로 조절한 후 상기 조성물을 더 혼합 교반하여 산화티탄 콜로이드 실버용액을 제조한다.

다음으로 에탄올이나 이소프로판올과 같은 저급알콜용액에 무기질의 바인더로서 산화규소(SiO₂)를 40 ~ 60중량%로 사용하여 균일한 졸이 되도록 충분히 교반하여 이산화규소 바인더 용액을 제조한다.

다음으로 상기에서 제조한 이산화규소 바인더 용액을 밀폐시킨 상태에서 티타늄졸을 포함하는 산화티탄 콜로이드 실버용액을 서서히 교반하면서 첨가하여 혼합 환류하면서 중축합반응이 일어나도록 한다. 이때 발열이 되는데 80℃ 이하로 온도를 유지하는 것이 좋다. 이 이상의 온도에서는 용매가 소실될 우려가 있어서 좋지 않다. 티타늄졸을 포함하는 산화티탄 콜로이드 실버용액의 투입이 끝난 후 추가적으로 30분 내지 2시간 정도 더 교반하여 균일상의 조성물을 얻는다.

본 발명의 조성물을 코팅하는 방법으로는 통상의 스프레이코팅, 플로우코팅, 딥코팅의 방법을 모두 사용할 수 있으며, 필요한 경우에 적절한 공정을 선택하여 사용하는 것이 좋다. 복잡한 형상의 성형물에 적용하는 경우는 스프레이코팅이 적합하고, 시트 등의 경우는 딥코팅 또는 플로우 코팅이 적합하다.

코팅된 기재는 금속, 플라스틱, 유리 등 그 재질에 한정이 있는 것은 아니지만 통상적으로 금속이나 유리 등에 접착력 좋게 접착된다.

코팅후 가열 건조하여 최종 기능성막을 형성시키는데, 가열조건은 100 ~ 300℃, 좋게는 120 ~ 200℃의 범위에서 10 ~ 60분 좋게는 20 ~ 40분간 열처리 하여 건조하는 것이 좋다.

본 발명은 필요에 의해 그 조성물을 기재에 도포하는데 그 두께는 통상적으로 1 ~ 20㎛정도, 좋게는 5 ~ 10㎛의 두께로 코팅한다.

본 발명의 기능성세라믹 코팅 조성물은 자동차 휠, 고속도로 중앙분리대의 금속판, 건축물의 옥외 유리창, 실내창, 욕실거울, 안경렌즈, 쇼케이스 글라스, 자동차의 윈도우 글라스 흐림 방지, 창 글라스 천창의 결로방지, 욕실과 외벽 창틀 사이에 또는 타일과 타일 사이에 실리콘계 실링제, 유성 호킹제, 건축물의 오염방지를 목적으로 사용할 수 있다. 또한 광촉매가 함유되면 글라스 또는 타일 등의 무기재로된 기재 표면에 부착되는 매연, 기름 찌꺼기 등의 오염 유기물의 부착을 방지하여 방오성을 향상시키는 효과를 가진다.

이하는 본 발명에 실시예를 통하여 보다 구체적으로 본 발명의 구성 및 효과를 구체적으로 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 변경하여 실시할 수 있는 것임을 당업자라면 알 수 있는 것이다.

실시예 1

세라믹 코팅조성물의 제조

밀레니엄케미칼사의 아몰퍼스형 산화티타늄(입경이 10~20nm)을 20중량%로 함유하는 산화티탄 졸수용액 100중량부에 대하여 규산염(SiO₃) 5중량부를 혼합하여 교반한다. 상기 교반 용액에 5중량%로 은이온을 함유하고 있는 콜로이드 실버수용액 850중량부를 천천히 첨가한 후, 66중량%의 질산용액으로 pH가 2.7이 되도록 조절한 후, 추가적으로 30분간 더 혼합 교반하여 산화티탄 콜로이드 실버용액을 제조하였다.

다음으로, 에탄올 100중량부에 신네츠실리콘사의 10~20nm 사이즈의 의 SiO₂를 100중량부를 혼합하고 교반하여 이산화규소 바인더용액을 제조하고 추가적으로 충분히 교반하였다.

밀봉된 상태의 이산화규소 바인더용액 50중량부에 상기 산화티탄 콜로이드 실버용액 50중량부를 서서히 교반하면서 첨가하여 혼합 환류하여 중축합이 이루어지도록 한다. 이 때 발열되며 온도는 80℃를 넘지 않도록 냉각하였다.

상기 혼합용액이 균일하게 된 상태에서 30~40분간 더 혼합 교반하여 비정질상태를 형성되게 한 후, 4시간 동안 숙성하여 최종 조성물을 제조하였다. 제조된 조성물은 pH가 4.5였다.

코팅 및 결과

자동차 휠에 적용하기 위해, 먼저 샌드브라스트 처리 없이 표면에 세척하여 탈지함으로써 피착면을 청정하게 하였다

상기 세라믹조성물을 피착면에 스프레이 도포하고 200℃에서 30분간 가열하여 8㎛의 두께로 코팅하였다.

그 결과 제품의 외관은 유백색으로 미려한 느낌을 주었고, 연필경도로 경도가 6H였으며, 600℃에서도 어떠한 물리적 코팅불량이나 경도의 감소가 없었다. 또한 코팅 후 건조하여 도막을 형성한 후 및 도막을 600℃에서 열처리한 표면에 접착테이프를 이용한 박리실험에서도 어떠한 접착력에도 전혀 박리가 일어나지 않아 본 발명의 조성물의 접착력이 매우 우수함을 알 수 있다.

또한 장기 방오성 평가를 위하여 자동차 휠에 상기 기능성 세라믹 조성물을 코팅하고 열처리하여 건조하였으며, 6개월간 장기 사용테스트를 실시하였다. 그 결과, 금속 내식성이 전혀 관측되지 않았으며, 스크래치가 없고 또한 6개월 사용 시에도 얼룩이나 기름때가 묻지 않은 등 내오염성이 탁월하게 증대되었다. 그러나 본 발명의 조성물을 코팅하지 않은 경우에는 표면의 스크래치, 오염 및 얼룩이 많이 발생한다. 도 1 내지 도4는 본 발명에 상기 실시예의 조성물을 자동차 휠에 코팅하여 장기 방오성, 부식성 및 방수성 실험을 실시하였다. 도 1은 코팅 후 6개월 운행 시에도 휠의 오염도가 극히 낮았으며, 내식성이 매우 우수하였음을 알 수 있었다. 그러나 도 3은 코팅하지 않고 운행하였을 때로 표면의 오염도가 매우 컸으며, 부분적으로 스크레치가 일어남을 알 수 있었다. 또한 도 2 및 도4는 15일 운행했을 때의 본 조성물을 코팅한 경우와 코팅하지 않은 경우 휠의 상태를 나타낸 것인데, 오염성에서 본 발명에 따른 조성물의 코팅 시 매우 우수한 방오성과 내스크래치성을 가지는 것임을 알 수 있었다. 또한 코팅에 의해 방수성이 개선되어 빗방울 등의 흐름성도 개선되었음을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 방오성, 장기 방오성 및 도막강도의 향상 및 막의 밀착성, 내스크래치성이 향상되는 기능성 세라믹 코팅 조성물을 제공한다. 이러한 우수한 효과는 신규한 세라믹조성물 및 그 조성의 특징에 의해 통상의 세라믹 조성물보다도 고 농도의 세라믹 조성물을 제공하여 얻어지는 효과로 보인다.

Claims (7)

1. 무정형 산화티탄을 20중량%로 함유하는 산화티탄 졸용액 5~20중량%; 규산염(SiO₃) 1~15중량%; 및 은 성분이 1~15중량%인 콜로이드실버수용액 70 내지 90중량%로 이루어진 산화티탄콜로이드실버용액과, 40 ~ 60 중량%의 SiO₂와 이소프로판올, 에탄올, 프로판올에서 선택되는 저급알콜 60 ~ 40 중량%로 이루어진 이산화규소 바인더용액을 중축합하여 제조한 방오성 기능성세라믹 코팅조성물.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 콜로이드 실버수용액은 전기분해에 의해 제조된 은이온 콜로이드 실버수용액인 것을 특징으로 하는 방오성 기능성 세라믹 코팅조성물.
4. 삭제
5. 1) 무정형 산화티탄 또는 광촉매 산화티탄을 20중량%로 함유하는 산화티탄 졸수용액을 산화티탄콜로이드실버용액 전체 중량에 대하여 5~20중량% 및 규산염 1~15중량%을 혼합하는 단계;

   2) 상기 혼합물에 은 함량이 1~15중량%인 콜로이드 실버용액을 산화티탄콜로이드실버용액 전체 중량에 대하여 70 내지 90중량%의 양으로 첨가하여 혼합하는 단계;

   3) 콜로이드 실버용액의 첨가가 완료된 후, 질산용액을 이용하여 pH를 2.5~3으로 조절하여 산화티탄콜로이드실버용액을 제조하는 단계;

   4) 40 ~ 60 중량%의 SiO₂와 이소프로판올, 에탄올, 프로판올에서 선택되는 저급알콜 60 ~ 40 중량%로 이루어진 이산화규소 바인더용액을 제조하는 단계;

   5) 이산화규소 바인더용액에 산화티탄콜로이드실버용액을 서서히 교반하면서 첨가하여 중축합시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방오성 기능성 세라믹 코팅조성물의 제조방법.
6. 삭제
7. 삭제

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